基于硅基光电子集成接收器的连续变量量子密钥分发系统实验研究

逍遥设计自动化

引言
量子密钥分发（QKD）是基于量子物理原理的安全通信方法，用于在通信双方之间生成共享密钥。虽然离散变量QKD已经展现优势，但连续变量QKD（CV-QKD）在集成方面具有独特优势，主要因为不需要单光子探测器。本文介绍采用硅基光电子集成接收器的先进CV-QKD系统[1]。
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7 k1 I9 P8 J9 g/ p4 A4 r; f8 o系统架构与组件
- p  Q; A4 Q% `" [* JCV-QKD系统主要包含发射端（Alice）和接收端（Bob），通过量子信道连接。系统采用GG02协议的变体，使用相干态和光学单边带调制。
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) Z( f5 W3 x+ z+ g2 U* V+ H图1：CV-QKD系统实验方案示意图，展示了以本地以太网实现的经典信道，以及用电子可变光衰减器（VOA）模拟的量子信道。
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接收器平台包含在CEA/Leti制造的硅基光电子集成芯片，集成了以下关键组件：
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光栅耦合器用于光信号输入

分光器用于信号混合

可变光衰减器用于功率平衡

锗光电二极管探测器

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图2：CV-QKD硅基光电子集成接收器平台，展示(a)带有焊线键合的光电子集成芯片实物和(b)包含光栅耦合器、分光器和光电二极管等关键组件的布局示意图。

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信号处理与检测
数字信号处理（DSP）方案对系统性能起着关键作用。处理过程包括信号生成和检测的多个阶段。

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5 H* _* \9 \. b1 ]& T' z* S" w$ y图3：数字信号处理方案，展示从上到下的步骤1（Alice的DSP）和从下到上的步骤4（Bob的DSP），说明完整的信号处理工作流程。

& d- M8 ]; ]" X- n2 d0 r系统实现了复杂的噪声处理和检测机制。接收器的噪声性能经过仔细表征以确保最佳运行。

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: h# Z/ g  x. a图4：集成接收器的噪声性能，比较了模拟和测量的电子噪声，展示接收器的性能和局限性。

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性能特征
2 i  s$ t& r. E' N( g$ [系统性能通过多个参数进行评估：

a. 信号检测和分析：

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图5：接收序列的功率谱密度，显示了量子数据、导频音和噪声分量在频谱上的分布。

b. 长期性能：
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5 ^" O& b4 ^1 N2 Y' \" a# q图6：在不同距离（10公里和23公里）下的超额噪声测量，显示系统稳定性和性能。
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c. 密钥率分析：

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  V" ]7 K- H4 ^图7：密钥生成率估算，显示不同实验条件和距离下的性能曲线。

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/ y# M1 R7 X: W0 ^5 U3 \技术实现细节
接收器的实现需要仔细考虑各种技术参数。系统以100 MBaud的速率运行，采用125 MHz的频率偏移。190 MHz和200 MHz的两个导频音用于同步和相位恢复。

平衡光电探测器的特性通过精确的电压偏置优化。在0.5V反向偏置下运行，确保通过保持低暗电流同时最大化光电流响应来获得最佳性能。
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5 g( s0 U7 s. \放大链路包含跨阻和电压放大器，精心设计以在最小化噪声引入的同时维持信号完整性。线路实现约150 MHz的带宽，在较低频率下清晰度超过10 dB。

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性能结果
- s) E2 j4 @8 ~" n  u4 A系统展示了出色的性能指标：
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10公里距离下的渐近密钥率达2.4 Mbit/s

可在23公里距离下运行，密钥率为220 kbit/s

最佳耦合时系统效率约26%

清晰度在1 MHz时为26 dB，在300 MHz时降至6 dB

" o3 v9 \$ E- y/ Q主要挑战包括影响耦合效率的机械稳定性和高频下的电子噪声。与其他集成方案相比，该系统性能优异，通过改进封装和电子设计还有进一步优化的空间。
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结论
* v# g0 F( g! m" V& [- U硅基光电子集成接收器在CV-QKD实现方面取得重要进展。性能表明光电子集成方案在量子密码学应用中的可行性。通过改进光学封装、电子集成和数字信号处理，系统性能和可靠性还可进一步提升。

实验结果为开发实用、商业可行的量子密码系统建立了基础。指明了实现小型化、经济高效的量子通信解决方案的方向，适用于城市规模的安全通信网络。
  }; D! z1 N0 ~) P$ d1 {. O参考文献
8 ]/ ]$ A2 I% y# v" X[1] Y. Piétri, L. Trigo Vidarte, M. Schiavon, L. Vivien, P. Grangier, A. Rhouni, and E. Diamanti, "Experimental demonstration of continuous-variable quantum key distribution with a silicon photonics integrated receiver," Optica Quantum, vol. 2, no. 6, pp. 428-437, Dec. 2024.
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