东芝公司出品
图1:东芝剑桥研究实验室正在测试的QKD芯片图2:光学集成电路原型和基于芯片的量子密码通信系统
(上排，左起:量子发射器芯片、量子接收器芯片、量子随机数发生器芯片
底排:基于芯片的量子密码通信系统)
信用:东芝公司 东芝欧洲有限公司今天宣布，它已经开发了世界上第一个基于芯片的量子密钥分发(QKD)系统
这一进展将推动量子安全技术的大规模生产，将其应用于更广泛的场景，包括物联网解决方案
QKD解决了对加密技术的需求，加密技术将保持安全，免受未来超级计算机的攻击
特别是，大规模量子计算机将能够有效地解决困难的数学问题，这些问题是当今广泛用于安全通信和电子商务的公钥密码学的基础
相比之下，用于量子密码的协议可以从第一性原理证明是安全的，并且不会受到量子计算机或未来任何计算机的攻击
2035财年，QKD市场预计将增长至全球约200亿美元
欧洲和东南亚目前正在建设大型量子安全光纤网络，并计划发射卫星，将网络扩展到全球范围
2020年10月，东芝为基于光纤的QKD发布了两款基于分立光学元件的产品
东芝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距离光纤主干链路
制造业的进步 为了让量子密码术变得像我们今天使用的算法密码术一样无处不在，进一步减小尺寸、重量和功耗是很重要的
这对于将QKD和量子随机数发生器(QRNG)扩展到新的领域尤其如此，例如与客户或物联网的最后一英里连接
开发基于芯片的解决方案对于支持大规模市场应用至关重要，这对于实现量子就绪型经济是不可或缺的
东芝已经开发出将用于QKD和重庆的光学电路缩小成微小半导体芯片的技术
它们不仅比光纤更小更轻，而且功耗更低
最重要的是，许多可以使用半导体工业中使用的标准技术在同一半导体晶片上并行制造，从而允许它们大量制造
例如，东芝开发的量子发射器芯片只有2×6毫米，允许在一个晶片上同时生产数百个芯片
东芝欧洲量子技术负责人安德鲁·希尔兹评论道:“光子集成将使我们能够以高度可重复的方式大量制造量子安全设备
这将使量子产品能够以更小的外形生产，并随后使QKD能够扩展到电信和数据通信网络的更大部分
" 基于芯片的量子密码通信系统综述
信用:东芝公司 东芝公司企业高级副总裁兼首席数字官岛田太郎评论道:“东芝在英国投资量子技术R&D已经有二十多年了
这一最新进展意义重大，因为它将使我们能够大量生产和交付QKD
这是我们基于无处不在的量子安全设备构建量子安全通信平台愿景的一个重要里程碑
" 这项进展的细节发表在《自然光子学》杂志上
技术总结 QKD系统通常包括复杂的光纤电路，集成了分立元件，例如激光器、电光调制器、分束器和光纤耦合器
由于这些组件相对笨重和昂贵，这项工作的目的是开发一种QKD系统，其中光纤电路和器件用毫米级半导体芯片写入
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
用于准备和测量量子位的随机位在量子随机数发生器芯片中产生，并使用现场可编程门阵列(FPGAs)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
光子是使用快速门控单光子探测器探测的
筛选、光子统计评估、时间同步和相位稳定都是通过FPGA内核之间的10 Gb/s光链路完成的，支持长时间的自主操作
作为演示的一部分，芯片QKD系统与商业加密器接口，允许比特率高达100 Gb/s的安全数据传输
为了促进与传统通信基础设施的集成，QKD的设备被组装在紧凑的1U机架装配箱中
QRx和QTx芯片封装在C-form-factor-plugged-2(CFP 2)模块中，C-form-factor-plugged-2(CFP 2)模块是相干光通信中广泛使用的一种外形，可确保系统与连续几代QKD芯片向前兼容，使其易于升级
现成的10 Gb/s小型可插拔(SFP)模块用于公共通信通道
描述芯片级QKD系统的《自然光子学》论文的主要作者陶菲克·帕拉伊索说，“我们正在见证光子集成电路的一场革命，类似于电子电路的革命
PICs不断为越来越多样化的应用提供服务
当然，对量子pic的要求比传统应用更严格，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，这标志着量子技术的一个重要挑战的结束
这为紧凑的即插即用量子设备的部署打开了一个广阔的前景，这必将对我们的社会产生巨大的影响
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