隨著量子技術的發(fā)展，量子互聯網的到來將開啟通信的新時代。而該技術的核心是基于分布式糾纏的量子信息處理（QIP)，例如EBQKD協議更好抵御相干攻擊以及對信道損耗有更大容忍度。但距離受限、面對高級攻擊時安全性下降，硬件系統(tǒng)復雜以及成本開銷的增加都阻礙了EBQKD的可擴展實現。并且日益增長的網絡需求以及需要容納多用戶操作也為傳統(tǒng)QKD帶來挑戰(zhàn)。

光子的頻率自由度有潛力應對EBQKD可擴展性帶來的挑戰(zhàn)。頻率固有的多模特性允許不同頻率信號可以并行傳輸，這可以很好提高了數據吞吐量。更重要的是，與偏振和時間編碼相比，頻率編碼對溫度變化、機械振動等環(huán)境因素引起的退相干更具抗性，有助于開發(fā)長距離QKD網絡。

在這篇文章中，研究人員展示了首次基于頻率片編碼的糾纏BBM92 QKD協議的實現，并展示了在長光纖鏈路上靈活分配糾纏光子對。同時一種新穎的基于頻率片基底分析模塊問世，其應用顯著減少了系統(tǒng)復雜性和硬件開銷，從而解決了大規(guī)模量子網絡中的可擴展性挑戰(zhàn)。

圖1 用于實現BBM92 QKD協議的實驗裝置示意圖。

糾纏光子對源是英國Covesion 公司所提供的40mm長MgO:PPLN波導組成（WGCO-1550-40，等多種封裝模式可選）。泵浦源是重頻為50MHz、脈寬為10ps的鎖模激光器，泵浦輸入功率僅180μW。泵浦光束通過一個4f配置的光學裝置進行光譜濾波，使其半高寬為200GHz，對應PPLN的相位匹配波長774.82nm（386.92THz）。通過0型準相位匹配（QPM）的自發(fā)參量下轉換（SPDC）過程在C波段內產生了寬帶雙光子光譜。為了使得在PPLN的SPDC簡并波長1549.6 nm（193.46 THz）處實現光子對生成的最大效率，通過Covesion OC3溫控將波導溫度維持在QPM對應的43.3℃，實現高達±0.01℃的穩(wěn)定性。

圖2 Covesion WGCO系列波導模塊，提供光纖耦合輸入輸出

在該糾纏源中，SPDC產生的信號光子和閑頻光子是非簡并的，通過PWS (programmable wavelength switch; 可編程波長分配器) 分離并給到Alice（信號光 Id）和Bob（閑頻光 Si），定義了各自的光譜通道CH1~CH3，通道間隔300GHz。每個通道由兩個頻率片組成，分別標記為|0和|1。頻率片寬度為20GHz，相距100GHz。為了展示可擴展性，本文將三個通道復用到對應用戶的單模光纖中，而這正是憑借PPLN波導所產生的寬SPDC光譜才實現的多路復用。

圖3混頻（FM）前后的BBM92協議光譜配置。

而實現BBM92 QKD的關鍵即下圖中的頻率片基底分析模塊。正如在BB84協議中存在直線基（Z基）和對角線基（X基）用于編碼和測量量子比特。在這篇文章中，光子對的頻率同樣被編碼到不同的頻率分箱中，簡單來說首先由PF（可編程濾波器）進行預濾波，產生量子態(tài)|0和|1，隨后由FM（混頻單元，其中包含電光調制器）對單個量子態(tài)對應的頻率模式進行相位調制，在頻域上產生邊帶，并在特定頻率片位置上令|0和|1的邊帶發(fā)生疊加，產生|+或|-（疊加時相位不同）。

圖4 頻率片基底分析模塊工作示意圖

這些已經被分配到不同頻率片的量子態(tài)隨后由FTM（Frequency-to-Time）進行轉化，由不同光子的到達時間，來分辨不同頻率的光子。在這種創(chuàng)新的方法下，每個用戶僅僅用一臺SNSPD就可以讀取所有的頻率通道的結果，大大節(jié)約了在量子通信中單光子探測器的成本，同時也降低了暗計數貢獻，減少了對探測器側信道攻擊的脆弱性以及探測器不平衡，從而提供了更高的安全性。從下圖圖2中也能清晰看到，在時間軸上可以將3個通道的4種基態(tài)同時進行分辨，證明了其多用戶分發(fā)的潛力。

圖5 頻率通道CH1、CH2和CH3的頻率-時間映射光譜曲線。探測器(a) D1（Bob所有）和(b) D2（Alice所有）檢測到的頻時映射光譜曲線。標注的綠色、黃色、藍色和紅色光譜區(qū)域分別對應于態(tài)|1、|0、|??和|+的投影。

本實驗中，研究團隊用73km單模光纖鏈路完成了基于頻率片編碼BBM92 QKD的端到端的驗證。其中CH1的QBER（量子比特錯誤率）4.45%，平均可見度為91%，違反了貝爾不等式，有限密鑰率0.011bit/s，在長距離光纖鏈路續(xù)系統(tǒng)仍然具有高保真度和低錯誤率。這些結果為多用戶并行的前景提供了有力的證明，在實際城域網中具有很大的應用潛力。

此外英國Covesion的波長轉換技術為設計和制造獨特的解決方案提供了廣泛的基礎，提供特定應用的技術咨詢以及定制服務，例如不同周期的設計以達到特殊的波長轉換要求或者溫度匹配條件。并且提供多樣的塊體晶體以及波導的封裝形式，滿足各種需求。

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WG_H_1560_40.pdf

光纖耦合PPLN波導產品數據單

Aunion_FiberCoupled-PPLN-Waveguide.pdf

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1064nm倍頻數據單.pdf

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