摘要：时间比特编码的光量子态是量子技术应用的关键。将操控功能集成到芯片级器件中，对于部署可扩展、高性能且具有成本效益的量子网络至关重要。本研究研发了一种基于薄膜铌酸锂（TFLN）平台、完全集成的高通量量子接收机，能够对时间比特编码的量子态进行高速电光（Electro-optic, EO）操控。该器件的新颖架构使其能够以超过30 GHz的电光带宽主动切换时间比特量子态，同时支持带宽超过1 GHz的实时任意投影测量。研究人员通过多个应用展示了其多功能性和性能，包括以38个标准偏差违反贝尔不等式并实现>95%可见度的纠缠认证。随后，研究人员将其应用于基于光纤的量子通信场景，通过实验演示了基于纠缠的量子密钥分发（Quantum Key Distribution, QKD）协议，在连续运行12小时以上期间，实现了超过25 kbit/s的稳定有限尺寸安全密钥速率。通过利用高速主动切换方案，该系统克服了时间后选择的需求，消除了损害基于时间比特纠缠的QKD协议安全性的一个基本漏洞，并放宽了对单光子探测器时间分辨率的要求。此外，它还支持主动选择投影基矢，增加了通信方的灵活性。该方法为时间比特编码的量子通信建立了一种多功能且可扩展的架构，使基于工业级光子技术的实用协议成为可能。
论文解读
研究背景与动机
纠缠是量子力学的一种基本物理资源，是量子通信、计算和传感等诸多量子信息应用的核心。在量子光子学领域，纠缠可以利用电磁场的不同自由度实现，其中，时间比特纠缠因其与现有光纤通信基础设施的兼容性以及对环境扰动的鲁棒性，在长距离量子密钥分发（QKD）中展现出显著优势。近年来，基于时间比特纠缠的量子技术应用研究取得了重要进展，包括提高QKD时钟速率和密钥率，以及与密集波分复用（DWDM）技术结合以增加网络容量。然而，其广泛部署仍面临若干关键限制。首先，时间比特投影测量需要高时间分辨率的单光子探测器。更重要的是，基于时间比特纠缠的应用受到后选择漏洞（Post-Selection Loophole, PSL）的影响，该漏洞源于必须丢弃在测量阶段时间上不重叠的时间比特波包对应的非干涉探测事件。这种丢弃行为会危及QKD的安全性，因为攻击者可以利用此漏洞通过局部隐变量模型模拟观察到的关联。此外，识别这些事件需要用户通过经典通信交换时间信息，并对探测时间进行高精度分辨。因此，克服对高时间分辨率的需求并闭合PSL，对于推动基于集成光子技术的QKD应用至关重要，尤其是在追求低时间比特间隔以减小集成延迟线尺寸并最大化安全密钥速率（SKR）的背景下。
研究目的与意义
本研究的核心目标是解决上述限制，开发一种完全集成的通用时间比特量子接收机。该研究旨在通过实现超快主动切换方案来消除PSL，提高系统集成度，并支持高速运行而不增加对探测硬件的需求。这项工作基于薄膜铌酸锂（TFLN）平台，该平台以其优异的电光特性和高集成潜力著称，有望为实用、可扩展的量子通信网络奠定基础。本研究成果发表于《Light: Science & Applications》期刊。
关键技术方法
研究人员设计并制备了一种基于X切割绝缘体上铌酸锂（LNOI）晶圆的集成光子芯片。器件核心包含两个级联阶段：第一阶段是一个高速平衡马赫-曾德尔调制器（MZM），作为光学开关，其电光调制带宽超过30 GHz；第二阶段是一个非平衡马赫-曾德尔干涉仪（MZI），具有100 ps的固定路径延迟。芯片集成了电光相位调制器、热相移器（TPS）和边缘耦合器等组件。器件通过标准电信外壳进行封装，集成了光学、射频和低频互连接口，确保了紧凑性、稳定性和易用性。在实验系统中，研究人员利用一个主动锁模激光器（1 GHz重复频率）作为泵浦源，通过一个TFLN器件对泵浦脉冲进行整形，然后将产生的双脉冲注入一个16 mm长的集成硅波导中，通过自发四波混频（SFWM）过程产生时间比特纠缠光子对。产生的光子对被解复用后，路由至两个独立的TFLN量子接收机（分别标记为Alice和Bob）进行测量分析。探测使用超导纳米线单光子探测器（SNSPDs），探测事件由数字时间标签器记录。
研究结果与发现
器件描述与工作原理
器件能够在三种模式下运行，用于操控时间比特编码的量子比特。在模式1（MZM偏置在正交点）下，器件作为一个50:50分束器，输出探测模式在时间上呈现三个峰，仅中央峰发生干涉，最大干涉可见度限制在50%。在模式2（MZM作为高速光开关，将早期/晚期时间比特确定性地路由到非平衡MZI的长/短臂）下，所有输入光子贡献相干干涉，输出为单一干涉峰，实现了对布洛赫球赤道面上任意状态的投影测量，且无需时间后选择。在模式3（开关调制信号相移180°）下，可以实现对计算基的投影测量，此时时间比特间隔加倍至200 ps，降低了对探测器时间分辨率的要求。
制备与经典表征
制备的TFLN芯片尺寸为9.6 × 26 mm。表征显示，平衡MZM阶段的3 dB电光带宽超过30 GHz，非平衡MZI阶段的带宽为1 GHz。器件的平均插入损耗约为6.5 dB。封装后的器件表现出良好的相位稳定性，在仅通过热电冷却器（TEC）进行温度稳定的情况下，无需主动反馈即可长时间稳定工作。
纠缠认证
研究人员利用一个TFLN器件进行泵浦脉冲整形，与硅波导纠缠源结合，生成了贝尔态|Φ+ ⟩。将产生的纠缠光子对发送至两个独立的TFLN量子接收机（均工作在模式2），通过扫描其中一个接收机的相位同时固定另一个，获得了高可见度的双光子干涉条纹。所有探测器组合的平均可见度达到(93.5 ± 0.6)%，无需任何时间后选择。通过拟合数据提取的可见度值，超过违反贝尔不等式所需的1/√2 阈值至少38个标准差，从而认证了纠缠的存在。此外，在特定相位设置下评估CHSH不等式，得到S参数值为2.54 ± 0.04，超过了经典边界（S=2）超过13个标准差。该实验同时认证了纠缠并测试了量子非定域性，且整个过程闭合了PSL。
量子态层析成像
通过对Alice和Bob的量子接收机设置一系列投影测量基（X, Y, Z），研究人员对生成的纠缠态进行了完整的量子态层析。从实验数据出发，通过最大似然估计算法重构了双光子纠缠态的密度矩阵。结果显示，该状态相对于贝尔态|Φ+ ⟩的保真度为95%，纯度为93%。纠缠形成度高达87%，子系统的冯·诺依曼熵接近理论最大值1，这进一步证实了高强度的两比特纠缠。
量子密钥分发：被动基选择
研究人员实现了基于BBM92协议的纠缠型QKD。在用户端，通过一个被动的50:50光纤分束器随机选择测量基：一个输出端口的光子直接发送给SNSPD，用于Z基测量；另一个输出端口的光子送入TFLN器件（工作在模式2，固定相位θ=0），用于X基测量。在此配置下，系统在连续运行超过12小时、总信道损耗为0.5 dB的条件下，实现了稳定的有限尺寸安全密钥率，最高超过25.4 kbit/s。研究人员对比了基于Serfling不等式和Chernoff不等式的两种有限尺寸密钥率分析方法，结果显示Chernoff界在较短的码块长度下能提供更高的密钥率。通过模拟不同光纤链路损耗，证明该方案在等效于超过100公里（0.2 dB/km损耗）的距离上仍可实现QKD。
量子密钥分发：主动基选择
在此配置中，移除了被动分束器，所有光子都路由至TFLN器件。测量基（X和Y）通过高速（1 GHz）伪随机二进制序列（PRBS）调制非平衡MZI的相位来主动随机选择。此方案同样闭合了PSL，并且由于所有测量都通过干涉仪进行，系统对探测器的时间分辨率要求进一步放宽，仅需分辨时间比特的重复速率（1 GHz），而无需分辨其间隔（100 ps）。在超过12小时的连续运行中，系统实现了平均0.805 kbit/s的秘密密钥率。主动方案虽然因所有光子都经过器件而引入更高的光学损耗，且筛选因子q降至0.5，导致密钥率低于被动方案，但它完全消除了对高时间分辨率探测器的需求，展现了器件在高速主动操作下的优异性能。
讨论与结论
本研究成功设计并演示了一种完全封装的集成光子电路，能够支持多种量子应用并达到最先进的性能。其核心贡献在于通过实现主动切换方案，首次在集成光子平台上克服了基于时间比特纠缠的量子应用中的后选择漏洞（PSL）。该器件作为一个通用时间比特投影仪，结合TFLN调制器的宽带特性，支持从亚纳秒到数小时稳定运行的宽范围可调测量速度。
研究人员展示了该器件的多功能性：无需时间后选择即能以超过38个标准差认证纠缠；实现时间比特编码态的量子态层析；作为泵浦脉冲整形器与非线性源结合产生高保真度纠缠态；以及在被动和主动基选择两种模式下成功实现BBM92协议的纠缠型QKD。特别是，在被动基选择QKD中，实现了超过25 kbit/s的有限尺寸安全密钥率，这是目前基于时间比特纠缠的QKD系统所报告的最高值，并且系统在超过12小时内保持了稳定的运行。
这项工作的意义在于，它证明了最初为电信开发的TFLN平台可以通过工业级制造工艺有效适配于量子技术。所开发的紧凑型器件集成了多种高质量光学组件，并通过封装实现了可靠性和便携性。此外，研究首次在BBM92协议的实验实现中应用了基于Chernoff不等式的有限尺寸密钥率分析，证明了其在码块较短时的优势。
未来改进方向包括：通过提高时钟频率、优化整体系统损耗来提升安全密钥率；在主动基选择方案中用量子随机数发生器（QRNG）替代PRBS以增强安全性；通过集成偏振滤波器、采用欧拉弯波导或使用铌酸锂薄膜等各向异性较低的材料来改善干涉可见度，从而降低量子比特误码率（QBER）。该器件架构还可扩展至高维时间比特编码、与其他自由度（如频率、偏振）结合的超纠缠应用、纠缠交换等，为构建大规模、多用户的量子通信网络铺平了道路。
总之，本研究基于TFLN平台，展示了一种多功能、高性能的集成光子电路，它能够克服PSL限制，认证真正的时间比特纠缠，并实现稳定、高速的纠缠型QKD，为可扩展量子通信网络的实现奠定了关键技术基础。
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