东芝欧洲有限公司昨日宣布已开发出世界上第一个基于芯片的量子密钥分发(QKD)系统。这一进步将使量子安全技术的大规模制造成为可能，以便将其应用到包括物联网(IoT)解决方案等更广泛的场景中。

QKD解决了对密码的需求，这些密码将保持安全，能免受未来超级计算机的攻击。特别是，大型量子计算机将能够有效地解决困难的数学问题，有些数学问题是当今安全通信和电子商务等领域的公钥密码的基础。相比之下，用于量子密码的协议可以从第一原理被证明是安全的，并且不会受到量子计算机或未来任何计算机的攻击。

预计到2035财年，全球QKD市场将增长到约200亿美元。目前，欧洲和东南亚正在建设大型量子安全光纤网络，并计划发射可以将网络扩展到全球范围的卫星。2020年10月，东芝发布了两款基于光纤的QKD产品，它们是基于分立光学元件开发的。东芝还与项目合作伙伴一起在英国、欧洲、美国和日本实施了量子安全城域网和长途光纤骨干链路。

制造的进步

为了让量子密码变得像我们今天使用的算法密码一样无处不在，重要的一个方法是进一步减小尺寸、重量和功耗。这对于将QKD和量子随机数生成器(QRNG)扩展到新领域尤其如此，例如与客户或物联网的最后一公里连接。基于芯片的解决方案的开发对于实现大众市场应用至关重要，这将是实现量子就绪经济不可或缺的一部分。

东芝开发了将QKD和QRNG的光电路缩小到微型半导体芯片的技术。它们不仅比光纤同类产品更小、更轻，而且功耗更低。最重要的是，可以使用半导体行业中的标准技术在同一半导体晶片上并行制造，从而可以实现生产更多数量的产品。例如，东芝开发的量子发射器芯片尺寸仅为2x6mm，允许在一个晶圆上同时生产数百个芯片。

东芝欧洲量子技术主管Andrew Shields表示：“光子集成将使我们能够以高度可重复的方式批量生产量子安全设备。它将能够以更小的形式生产量子产品，并允许以后将QKD推广到电信和数据通信网络等的更大市场。”

东芝公司高级副总裁兼首席数字官Taro Shimada评论道：“东芝在英国投资量子技术研发已有二十多年。这一最新进展非常重要，因为它将使我们能够大量制造和交付QKD产品。这是我们建立一个基于无处不在的量子安全设备的量子安全通信平台愿景的重要里程碑。”

这项工作的一部分是由英国创新合作研发项目AQuaSec通过工业战略挑战基金资助的。这一技术进展的细节发表在科学期刊《自然光子学》上。

技术摘要

QKD系统通常包括了一个复杂的光纤电路，它集成了一些分立元件。例如激光器、电光调制器、分束器和光纤耦合器。由于这些组件相对庞大且昂贵，因此这项工作的目的是开发这样一种QKD系统，它的光纤电路和设备是由毫米级半导体芯片编写的。

东芝开发了第一个完整的QKD原型，其中部署了不同功能的量子光子芯片。用于制备和测量量子比特的随机比特在量子随机数发生器(QRNG)芯片中产生，并使用现场可编程实时转换为基于芯片的QKD发射器(QTx)和接收器(QRx)的高速调制模式门阵列(FPGA)。它使用快速门控单光子检测器检测光子。筛选、光子统计评估、时间同步和相位稳定是通过FPGA内核之间的10Gb/s光链路完成的，从而实现了长时间的自主运行。作为演示的一部分，芯片QKD系统与商用加密器连接，允许以高达100Gb/s的比特率进行安全数据传输。

为了促进与传统通信基础设施的集成，QKD单元组装在紧凑的1U机架式机箱中。QRx和QTx芯片封装在CFP2模块中，这是相干光通信中广泛使用的一种形式，以确保系统与连续几代QKD芯片前向兼容，使其易于升级。现成的10Gb/s小型可插拔式(SFP)模块用于公共通信通道。

描述这一芯片级QKD系统的论文第一作者Taofiq Paraiso说：“我们正在目睹光子集成电路(PIC)发生与电子电路类似的革命。PIC正不断地为越来越多样化的应用提供服务。当然，量子PIC的要求要比传统应用更严格。但这项工作表明，现在可以实现完全可部署的基于芯片的QKD系统，这标志着完成了量子技术面临的一个重要挑战。这为部署紧凑、即插即用的量子设备开辟了广泛的前景，这肯定会对我们的社会产生重大影响。”（编译:Qtech）