千兆赫级薄膜铌酸锂接收器用于时槽量子通信

为什么更快的量子密钥很重要

我们每天越来越多的私人数据通过长距离光纤网络传输。量子通信承诺基于物理定律而非可能被攻破的软件来保证安全。本文提出了一款微小芯片，能够以十亿次每秒的速率读取光纤中承载的脆弱量子信号。通过使该接收器快速、稳定并兼容标准电信硬件，这项工作指向了能够与当今互联网结合的实用量子安全网络。

把光的滴答声变成信息

在许多量子通信方案中，信息并非编码在光的频色或偏振上，而是编码在到达时间上。单个光子可以被制备在“早”与“晚”时间槽的叠加态中，形成时槽量子比特。一对这样的光子可以纠缠，使得它们的到达时刻以某种神秘方式关联，无论它们相距多远。时槽编码在长光纤传输中表现良好，并且天然适配电信基础设施。然而，可靠读取这些态一直很困难，通常需要笨重的干涉仪和对当前技术要求很高的超快单光子探测器。

驯服脆弱量子时序的芯片

作者在一片薄的铌酸锂切片上构建了一个紧凑的接收器，这种材料在受电信号驱动时光学性质可快速改变。在该平台上，他们将波导、分束器、热相移器和高速电光调制器集成到一个小于邮票大小的电路中。该器件有两个主要阶段：一个可将光子引导到不同路径的快速光学开关，以及一个使一条路径延迟约十亿分之一秒十分之一的非平衡干涉仪。通过精确控制开关时序，芯片能够使早、晚时槽脉冲重叠并发生干涉，从而在不丢弃大量探测事件的情况下揭示量子态。

封闭一个关键的安全漏洞

先前的时槽系统受制于所谓的后选择漏洞。因为只有那些恰好在测量干涉仪中时间重叠的光子才表现出量子干涉，许多探测事件被丢弃。精心设计的攻击原则上可以利用这种筛选，用经典信号模拟量子相关性。在新接收器中，高速开关以确定性的方式引导早、晚时槽，使它们全部发生干涉。与纠缠光子对的实验表明，在没有任何基于时序的筛选下仍强烈违背贝尔与CHSH不等式，证明了真实的纠缠并消除了安全分析中的这一特定弱点。

从实验室测试到安全密钥

为了展示实际相关性，团队将他们的芯片接入基于光纤的链路并运行基于纠缠的量子密钥分发协议。在第一个版本中，一个简单的光纤分路器随机选择是否在一种基或另一种基上测量每个光子，而芯片处理要求更高的干涉基。在这一被动方案中，他们在连续运行超十二小时的情况下获得了超过25千比特每秒的安全密钥率，这在时槽纠缠系统中创下纪录。第二个版本利用芯片的快速相位控制以千兆赫级速率用伪随机电信号主动切换测量基。尽管该方法光学损耗更大、密钥率更低，但它证明了基的选择可以在片上以电子速率完成，且误码率低到足以实现安全运行。

这对未来量子网络意味着什么

用通俗的话说，研究人员已将一个脆弱的台式实验装置转变为一个坚固的芯片级组件，能够快速且可靠地读取量子时序信息。通过消除丢弃大量数据的需要并放宽对探测器时间分辨率的要求，他们的接收器使时槽量子通信更高效、更易于与现有电信设备集成。尽管在损耗、时钟速率和片上随机性方面仍需进一步改进，但这项工作为基于光纤的可扩展量子网络指明了清晰路径，能够利用行业级光子技术以实用速度提供密钥。

引用: Bernardi, A., Clementi, M., Bacchi, M. et al. Gigahertz-rate thin-film lithium niobate receiver for time-bin quantum communication. Light Sci Appl 15, 237 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02306-5

关键词: 时槽纠缠, 量子密钥分发, 铌酸锂光子学, 集成量子光学, 光纤量子网络