英国剑桥，2021年10月21日:东芝欧洲有限公司今天宣布，他们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。这一进展将使量子安全技术的大规模生产成为可能，将其应用于更广泛的场景，包括物联网(IoT)解决方案。
QKD解决了对密码学的需求，它将保持安全，不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目前广泛用于安全通信和电子商务的公钥密码术的基础上的复杂数学问题。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。
QKD的全球市场预计在2035财年将增长到约200亿美元。大型量子安全光纤网络目前正在欧洲和东南亚建设中，而且有发射卫星的计划，可以将网络扩展到全球规模。2020年10月，东芝发布了两款基于光纤的QKD产品，这是一种基于离散光学元件的产品。与项目合作伙伴一起，东芝已经在英国、欧洲、美国和日本实施了量子安全地铁网络和长距离光纤骨干链路。
制造业的进步
量子密码学要想变得像我们今天使用的算法密码学一样普遍，重要的是进一步降低体积、重量和功耗。这尤其适用于将QKD和量子随机数生成器(QRNG)扩展到新的领域，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实现大规模市场应用至关重要，这将是实现量子就绪经济的组成部分。
东芝公司已经开发出将用于QKD和QRNG的光学电路缩小为微型半导体芯片的技术。它们不仅比光纤激光器更小更轻，而且耗电更少。最重要的是，可以使用半导体行业中使用的标准技术，在同一块半导体晶圆上并行制造许多芯片，从而使它们的生产数量大大增加。例如，由东芝公司开发的量子发射芯片只有2 × 6毫米，这使得一块晶圆上可以同时生产几百个芯片。
东芝欧洲公司的量子技术主管Andrew Shields表示:“光子集成技术将使我们能够以高度可重复性的方式批量生产量子安全设备。它将使更小尺寸的量子产品生产成为可能，并随后允许QKD进入电信和数据通信网络的更大比例。”
东芝公司高级副总裁兼首席数字官岛田太郎(Taro Shimada)表示:“东芝在英国投资量子技术研发已经超过20年了。这一最新进展是非常重要的，因为它将允许我们生产和交付更大数量的QKD。这是我们构建基于无处不在的量子安全设备的量子安全通信平台的愿景的一个重要里程碑。”
这项工作的一部分是由创新英国合作研发项目AQuaSeC通过产业战略挑战基金资助的。这一进展的细节发表在科学杂志《自然光子学》上。
技术总结
QKD系统通常包括一个复杂的光纤电路，集成了离散元件，如激光、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，本工作的目的是开发一个QKD系统，其中光纤电路和器件是写在毫米级半导体芯片。
东芝公司已经开发出第一个完整的QKD原型机，其中部署了不同功能的量子光子芯片。量子随机数发生器(QRNG)芯片产生用于准备和测量量子位的随机比特，并使用现场可编程门阵列(fpga)将其实时转换为高速调制模式，用于基于芯片的QKD发射器(QTx)和接收器(QRx)。光子被检测使用快速门控单光子探测器。筛选、光子统计评估、时间同步和相位稳定通过FPGA核心之间的10gb /s光链路完成，可以在较长的时间内实现自主操作。作为演示的一部分，芯片QKD系统与一个商业加密器接口，允许安全的数据传输，比特率高达100gb /s。
为了促进与传统通信基础设施的集成，QKD单元被组装在紧凑的1U机架盒中。QRx和QTx芯片封装在c形因子可插接2 (CFP2)模块中，CFP2模块是相干光通信中广泛使用的形状因子模块，以确保系统与连续一代QKD芯片的前向兼容性，使其易于升级。公共通信通道采用现货供应的10gb /s SFP (small form-factor pluggable) SFP (small form-factor pluggable)模块。
Taofiq Paraiso是《自然光子学》中描述芯片级QKD系统的论文的第一作者，他说:“我们正在见证光子集成电路发生的类似于电子电路的革命。pic不断地为越来越多的应用提供服务。当然，对量子pic的要求比传统应用更严格，但这项工作表明，完全可部署的基于芯片的QKD系统现在是可以实现的，这标志着量子技术的一个重要挑战的结束。这为紧凑型即插即用量子设备的部署开辟了广阔的前景，必将对我们的社会产生巨大影响。”
*东芝的长期评估是基于研究公司的中短期评估
