CN208401849U - 极化编码量子通信终端芯片 - Google Patents

Abstract

一种极化编码量子通信终端芯片，包括：设置于基底内相连的极化无关分束器、极化分束器以及片上集成探测器，其中：极化无关分束器的一端在所述量子通信终端芯片的一个端面设有用于接收任意极化编码的光量子比特的开口，另一端分别与极化分束器的输入臂衔接，极化分束器的输出臂分别与各个片上集成探测器衔接，以测量光量子信号。本实用新型可以较低误码率直接对任意极化编码的量子密钥进行投影测量，具有体积小、重量轻、能耗低、精度高、稳定性强、可扩展空间大的优点，同时大大降低了制造成本和周期、增加接收端的操作便捷度，是发展长期稳定的远距离实用化量子通信系统最具有竞争力的实施方案之一，适用于大范围推广应用。

Description

极化编码量子通信终端芯片

技术领域

本实用新型涉及的是一种飞秒激光加工与量子通信领域的技术，具体涉及一种可利用光子极化自由度直接进行编码的量子通信终端芯片。

背景技术

现有量子光学手段实现的量子保密通信实验中，以光子极化自由度编码的方式以其天然的稳定性和功率均衡性等特征被广泛运用，诸多实用化远距离实施的量子通信如诱骗态量子密钥分发等均可采用极化编码。然而宏观光学器件搭建的光量子系统由于尺寸较大、插入损耗大、且易受环境如温度、气流和振动的影响，限制了光量子信息处理的进一步扩展。此外，目前已有的基于硅基芯片的量子通信系列实验由于受限于材料引起的偏振模色散等技术问题，无法实现直接对量子比特的极化自由度进行编码和解码且需要主动调制。

实用新型内容

本实用新型针对现有量子通信实施系统宏观光路中的连接误差、接入损耗、接口噪声大以及现有基于硅基芯片中波导由双折射引起的系列问题，提出一种极化编码量子通信终端芯片，该量子通信终端芯片具有全芯片集成的光学极化无关分束比例可控、极化分束功能的无源结构和片上探测结构，可以较低误码率直接对任意极化编码的量子密钥进行投影测量，具有体积小、重量轻、能耗低、精度高、稳定性强、可扩展空间大的优点，同时大大降低了制造成本和周期、增加接收端的操作便捷度，是发展长期稳定的远距离实用化量子通信系统最具有竞争力的实施方案之一，适用于大范围推广应用。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型涉及一种极化编码量子通信终端芯片，包括：设置于基底内相连的极化无关分束器、极化分束器以及片上集成探测器，其中：极化无关分束器的一端在所述量子通信终端芯片的一个端面设有用于接收任意极化编码的光量子比特的开口，另一端分别与极化分束器的输入臂衔接，极化分束器的输出臂分别与各个片上集成探测器衔接，以测量光量子信号。

所述的极化编码量子通信终端芯片包括以下任意一种结构：

i.一个极化无关分束器、两个水平极化分束器以及四个片上集成探测器；

ii.一个极化无关分束器、一个水平的极化分束器、一个光轴倾斜的极化分束器以及四个片上集成探测器；

iii.一个极化无关分束器、一个半波片、两个水平的极化分束器以及四个片上集成探测器；

iv.一个极化无关分束器、两个光轴倾斜的极化分束器以及四个片上集成探测器；

v.一个极化无关分束器、两个波片、两个水平的极化分束器以及四个片上集成探测器。

所述的极化无关分束器的结构采用以下任意一种方式实现：

①一个或两个串联的X型耦合器；

②一个耦合区域呈倾角且不相交的定向耦合器，即定向倾斜耦合器；

③一个光轴重合于芯片法线的平面不相交定向耦合器，即定向水平耦合器。

所述的极化分束器包括：两条带有双折射性质且在耦合区域不相交的波导构成的定向耦合器，其中：定向耦合器的一根输入臂直接与极化无关分束器的一根输出臂相连并接收任意极化编码的光量子比特。

所述的光轴倾斜的极化分束器包括：两条光轴倾斜且在与水平面具有与光轴倾斜夹角相同或互补的倾斜平面进行不相交耦合的波导构成的定向耦合器，其中定向耦合器的一根输入臂直接与极化无关分束器的一根输出臂相连并接收任意极化编码的光量子比特。

所述的光轴倾斜的极化分束器的光轴倾斜为45°倾斜角。

所述的半波片及波片的光轴具有与极化分束器匹配的倾斜角。

所述的倾斜角采用但不限于飞秒激光以多次相距一定角度和间隔地直写得以实现。

所述的片上集成探测器采用超导纳米线实现，该超导纳米线的输入端以倏逝波耦合的形式与极化分束器的输出臂相连实现信号的输入。

所述的衔接，通过直接连接或以倏逝波耦合的形式实现。

所述的耦合，通过调整不同交叉耦合间距以实现不同的双折射补偿，通过调整不同平行耦合间距以实现比例可控的分束。

所述的片上集成探测器为超导纳米线，采用但不限于氮化铌实现。

所述的用于接收任意极化编码的光量子比特的开口通过调整激光绝热变换调整波导截面大小、或通过热膨胀过程使耦合光纤的模场直径与波导更匹配而实现与光纤的低损耗衔接。

本实用新型涉及一种极化编码量子通信终端芯片阵列，包括至少两个上述极化编码量子通信终端芯片。

所述的基底，其采用但不限于透明的硼硅酸盐玻璃、熔融石英玻璃等。

技术效果

与现有技术相比，本实用新型极化编码量子通信终端芯片实现了量子通信终端的微型化、无源化和阵列化，在提高系统稳定性、降低系统损耗和制造成本的同时，减少了终端用户操作的复杂性，适用于量子通信网络的大规模应用。本实用新型制造工艺建立在超快激光直写制造技术基础之上，通过直写结构的改变实现了极化无关比例分束、波导光轴任意角度调控、片上多个器件低损耗集成，同时通过调整激光绝热变换调整波导截面大小、或通过热膨胀过程使耦合光纤的模场直径与波导更匹配而实现与光纤的低损耗衔接，使该芯片既可直接与自由空间输入的光信号进行高效耦合，又可通过v-groove连接，对光纤中输入的信号进行测量，且对780nm、 810nm、1550nm等不同波段均适用，耦合效率50％以上，填补了极化编码下自由空间、光纤与芯片直接耦合的技术空缺，可最终实现以较低误码率对任意极化编码的量子密钥进行投影测量。

附图说明

图1为极化无关分束器示意图；

图中：a、b、c依次为两个耦合器串联、定向倾斜耦合器、定向水平耦合器三种结构的俯视图、左视图和正视图；

图2为实施例1测量设备无关(Measurement Device Independent)量子密钥分发终端芯片示意图；

图3为实施例1效果示意图；

图4为实施例1不同基矢下的态分布图；

图中：a为HV基矢；b为AD基矢。

图5为实施例2适用于BB84协议、E91协议、诱骗态极化编码等的量子密钥分发终端芯片示意图；

图6为实施例2适用于BB84协议、E91协议、诱骗态极化编码等的量子密钥分发终端芯片示意图；

图7为实施例2效果示意图；

图8a～c为实施例3的在测量设备无关量子密钥分发、量子隐形传态中的贝尔态分析投影芯片的三种结构示意图；

图9为倾斜光轴直写示意图；

图中：a为水平、b为倾斜22.5度、c为倾斜45度；

图10为倾斜光轴与波导夹角关系示意图；

图中：极化无关分束器1、第一波导101、第二波导102、极化分束器2、片上集成探测器3、波片4、第一输入口In1、第二输入口In2。

具体实施方式

实施例1

本实施例涉及一种极化编码量子通信终端芯片及其在测量设备无关(Measurement Device Independent)量子密钥分发的应用。

本实施例芯片通过超快激光直写式加工系统，采用的芯片材料为透明材料(如硼硅酸盐玻璃、熔融石英玻璃等)制备得到。

如图2所示，本实施例芯片包括：一个极化无关分束器1、与之并联的两个光轴相同的极化分束器201、202以及四个片上探测器3。

所述的极化无关分束器1采用图1a～图1c中任意一种结构，其中：

如图1a所示，该极化无关分束器1包括：两根带有双折射性质的波导101、102，其在同一水平面上进行交叉耦合与平行耦合后分开，其中：平行耦合的区域的宽度为2～50μm。

如图1b所示，该极化无关分束器1包括：两根带有双折射性质的波导101、102，其在不同的水平面上进行平行耦合后分开，其中：平行耦合的区域的宽度为2～50μm。

如图1c所示，该极化无关分束器1包括：两根带有双折射性质的波导101、102，其在同一水平面上进行只进行平行耦合后分开，其中：平行耦合的区域的宽度2～50μm。

本实施例采用上述芯片为第三方(Charlie)进行贝尔态投影测量，其具体步骤包括：合法的通信双方(Alice和Bob)可将他们制备的量子态(即编码的光量子信号)以自由空间或光纤耦合的方式分别从图2中的第一输入口In1和第二输入口In2传送给第三方(Charlie)(即输入该芯片)。

优选地，第三方(Charlie)预先通过一些额外的极化补偿校准光子的偏振态，使其均匀地分布在庞加莱球的表面。

所述的极化无关分束器1将Alice和Bob发送的信号均匀且不可分辨地(波长、时间、极化性质等)输入至第一和第二极化分束器201、202进行正交基矢的极化投影分离，随后将进行完贝尔态投影的光量子信号耦合至集成于芯片末端的片上集成探测器进行探测，并将贝尔态投影测量的结果输出。

本实施例中的芯片优选进一步设有与所述的片上集成探测器相连的数字信号处理模块以进行符合测量。

如图3所示，通信双方(Alice和Bob)通过数字信号处理模块找寻到延时等全同的光子，此后，发送端(Alice)和接收端(Bob)可根据Charlie投影测量与符合计数的结果进行比对并进行相应的比特翻转操作，得到相应各自的密钥；而第三方接收端(Charlie)由于仅拥有贝尔态投影测量的结果而无法获得具体的密钥信息。

如图4a和图4b所示，为测量设备无关量子密钥分发的通信双方Alice和Bob不同符合计数的相对分布，图标中的的ADHV分别为通信双方采用的极化编码基矢、1234下标分别对应四个探测器1234的输出，AA即为Alice和Bob分别采用A、A极化基矢进行光量子编码。

实施例2

本实施例涉及一种极化编码量子通信终端芯片在BB84协议、E91协议、诱骗态极化编码等的量子密钥分发的应用。

本实施例芯片采用图5或图6中的任意一种结构得以实现：

如图5所示，该芯片包括：一个极化无关分束器1、两个正交光轴夹角45°的极化分束器201、202以及四个片上探测器3。

所述的第一极化分束器201采用图9a直写方式制备得到，第二极化分束器202采用图 9b直写方式制备得到。

如图9a所示，为飞秒激光直写加工波导传统加工工艺的截面示意图，按照此类方法写出的波导光轴为竖直或水平(平行或垂直与直写光束的方向)。图9b和图9c为直写方法的截面示意图，该直写方法能够得到光轴任意角度倾斜的波导。

所述的飞秒激光直写加工为采用多次直写，即在原有单次直写的波导(如图9b O1旁)，相距一定的距离和角度以相同或略微不同的参数再直写一根波导(如图9b O2)，以实现整体光轴倾斜的效果，其中：多次直写次数不限于2次。

所述的距离根据波导直径的大小不同而作相应调整，优选为0.1～5μm

所述的角度如图10所示。

如图6所示，该芯片包括：一个极化无关分束器1，两个光轴相同极化分束器201、202、一个片上半波片4以及四个片上探测器3，其中：第一和第二极化分束器201、202的光轴均为水平设置。

本实施例采用上述芯片的极化编码量子通信终端芯片在BB84协议、E91协议、诱骗态极化编码等的量子密钥分发或用于BB84协议、E91协议、诱骗态极化编码等的量子密钥分发，其具体步骤包括：

①将上述芯片设置于直接通信的接收端(Bob)或设置于采用被动发送方式的发送端 (Alice)。

②合法的通信双方(Alice和Bob)将其编码的光量子信号以自由空间或光纤耦合的方式输入各自的终端芯片。

③芯片的第一个极化无关分束器将光量子信号随机地输入至第一极化分束器201和经过半波片4后输入第二极化分束器202极化分束器进行不同正交基矢(HV、+-)的极化投影，随后将不同基矢投影的结果耦合至片上探测器并进行输出检测得到原始密钥。

④通信双方可利用公开信道比对基矢进行密钥筛选，符合误码率测试要求的比特串即为传输的共享密钥。

如图7所示为不同极化编码输入情况下，经过HV、AD不同基矢同时探测所得的对比柱状图。

实施例3

本实施例涉及一种极化编码量子通信终端芯片及其在测量设备无关量子密钥分发、量子隐形传态中的贝尔态分析的应用。

本实施例芯片采用图8中的任意一种结构得以实现：

该芯片采用如实施例1中所述的芯片结构，或采用：

如图4所示的一个光轴水平的极化分束器1、两个光轴与水平面呈45°夹角的极化分束器201、202、四个片上探测器3，或采用：

一个光轴水平的部分极化分束器1、两个光轴水平的极化分束器201、202、两个片上半波片4和四个片上探测器3的结构。

本实施例涉及上述芯片在极化编码量子通信终端芯片及其在测量设备无关量子密钥分发、量子隐形传态的贝尔态分析，其具体步骤包括：将上述芯片设置于发送端(Alice)进行联合贝尔态分析，首先经过的该芯片的两个极化分束器201、202将位于通信双方(Alice和Bob)两处的纠缠光子信号重构为叠加态，随后的两个极化分束器将进行极化投影测量，并将光量子信号耦合至集成于芯片末端的超导探测器进行符合探测以区分不同的贝尔态。当纠缠态被确定后，发送端(Alice)可通过经典信道与接收端(Bob)通信，使其根据测量结果做相应的幺正变换，即可得到传输的密钥。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本实用新型原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本实用新型的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本实用新型之约束。

Claims (11)

1.一种极化编码量子通信终端芯片，其特征在于，包括：设置于基底内相连的极化无关分束器、极化分束器以及片上集成探测器，其中：极化无关分束器的一端在所述量子通信终端芯片的一个端面设有用于接收任意极化编码的光量子比特的开口，另一端分别与极化分束器的输入臂衔接，极化分束器的输出臂分别与各个片上集成探测器衔接以测量光量子信号。

2.根据权利要求1所述的极化编码量子通信终端芯片，其特征是，所述的极化编码量子通信终端芯片包括以下任意一种结构：

i.一个极化无关分束器、两个水平极化分束器以及四个片上集成探测器；

ii.一个极化无关分束器、一个水平的极化分束器、一个光轴倾斜的极化分束器以及四个片上集成探测器；

iii.一个极化无关分束器、一个半波片、两个水平的极化分束器以及四个片上集成探测器；

iv.一个极化无关分束器、两个光轴倾斜的极化分束器以及四个片上集成探测器；

v.一个极化无关分束器、两个波片、两个水平的极化分束器以及四个片上集成探测器。

3.根据权利要求1所述的极化编码量子通信终端芯片，其特征是，所述的极化无关分束器的结构采用以下任意一种方式实现：

①一个或两个串联的交叉耦合器；

②一个耦合区域呈倾角且不相交的定向耦合器，即定向倾斜耦合器；

③一个光轴重合于芯片法线的平面不相交定向耦合器，即定向水平耦合器。

4.根据权利要求2所述的极化编码量子通信终端芯片，其特征是，所述的极化分束器包括：两条带有双折射性质且在耦合区域不相交的波导构成的定向耦合器，其中：定向耦合器的一根输入臂直接与极化无关分束器的一根输出臂相连并接收任意极化编码的光量子比特；

所述的光轴倾斜的极化分束器包括：两条光轴倾斜且在与水平面具有与光轴倾斜夹角相同或互补的倾斜平面进行不相交耦合的波导构成的定向耦合器，其中定向耦合器的一根输入臂直接与极化无关分束器的一根输出臂相连并接收任意极化编码的光量子比特。

5.根据权利要求2或4所述的极化编码量子通信终端芯片，其特征是，所述的光轴倾斜为45°倾斜角，半波片及波片的光轴具有与极化分束器匹配的倾斜角。

6.根据权利要求5所述的极化编码量子通信终端芯片，其特征是，所述的倾斜角采用飞秒激光以多次相距一定角度和间隔地直写得以实现。

7.根据权利要求1或2所述的极化编码量子通信终端芯片，其特征是，所述的片上集成探测器采用超导纳米线实现。

8.根据权利要求1所述的极化编码量子通信终端芯片，其特征是，所述的衔接，通过直接连接或以倏逝波耦合的形式实现。

9.根据权利要求3或4或8所述的极化编码量子通信终端芯片，其特征是，所述的耦合，通过调整不同交叉耦合间距以实现不同的双折射补偿，通过调整不同平行耦合间距以实现比例可控的分束。

10.根据权利要求1所述的极化编码量子通信终端芯片，其特征是，所述的用于接收任意极化编码的光量子比特的开口通过调整激光绝热变换调整波导截面大小、或通过热膨胀过程使耦合光纤的模场直径与波导更匹配而实现与光纤的低损耗衔接。

11.一种极化编码量子通信终端芯片阵列，其特征在于，包括至少两个上述任一权利要求所述的极化编码量子通信终端芯片。