使用 Clavis XGR 和外部单光子探测器进行长距离、高密钥率量子密钥分发 (QKD) 研究

Clavis XGR 配备外部探测器，可增强您的研究

扩展量子密钥分发 (QKD) 在距离范围和密钥速率方面的性能是一个热门话题。此外，与 QKD 标准化、安全评估、性能、与光网络和卫星系统的集成以及与其他加密基元结合集成到安全架构相关的活动也日益增多。

使用工业化、但可访问且开放的 QKD 系统可以节省设置实验室的时间和精力，并且访问 QKD 协议的原始和中间数据以及控制 QKD 系统的光学和电子特性使您可以灵活地探索许多研究方向。

使用 Clavis XGR 和外部单光子探测器进行长距离、高密钥率量子密钥分发 (QKD) 研究插图

图 1 – XG 系列是 IDQ 的第四代电信级 QKD，XGR 型号是我们 XG 系列的扩展（用于生产环境）。上图所示的 Clavis XGR 旨在满足研究人员的需求，其功能包括访问内部数据和原始密钥、可修改参数以及通过标准化实验网络接口实现互操作性。它是一种自动化的交钥匙解决方案，具有用户友好的全栈软件。在最近的网络研讨会上，我们讨论了几种可能的实验室设置，这些设置涉及我们的Clavis XGR 平台与外部单光子探测器的集成，从安全角度测试 QKD 到将 QKD 集成到光传输网络中。请在https://www.idquantique.com/experiment-qkd-in-your-lab/查看。在这篇博文中，我们将讨论这样一个研究方向：使用单光子外部探测器在光学和协议层面研究高性能 QKD。试验长距离和高密钥速率 QKD 研究QKD 研究的一个重要前沿是提高性能，特别是在短距离内实现更高的密钥速率和更大的动态范围。让我们谈谈外部探测器可以在哪些层面上实现这一点。

Level 1 ——外部SPAD探测器

使用外部 SPAD 单光子探测器（而不是商用 QKD 系统中常见的集成探测器）可以获得更大的参数空间来调整探测器。这可以研究针对不同部署场景的特定 QKD 实现的优化。

SPAD 性能表现出几种权衡，在您的设置环境中进行实验可能会很有趣。首先，探测效率、暗计数率 (DCR) 和时间抖动之间存在权衡。随着二极管两端的偏置电流增加，探测效率和时间抖动会改善，但 DCR 也会增加。其次，DCR 和后脉冲概率之间存在权衡，这是二极管温度的函数；随着温度降低，暗计数会减少，但后脉冲概率会增加。IDQ 的探测器采用一些技巧来缓解这种情况（例如快速雪崩猝灭），但权衡仍然存在。最后，后脉冲概率和最大检测率之间存在死区时间的权衡。调整这些参数的能力可以让您找到适合您的特定实施和部署场景的理想权衡。

图 2 – SPAD 在探测效率、暗计数率 (DCR) 和抖动之间表现出一种权衡。随着二极管两端的偏置电流增加，探测效率和时间抖动会改善，但 DCR 也会增加。例如，ID Qube 的典型性能在 10% 效率下为 400 cps，在 25% 效率下为 1500 cps。

ID Quantique 提供几种针对通信波长优化的 InGaAS SPAD 产品，所有这些产品都与我们的 Clavis XGR QKD 平台兼容。

ID Qube是一种流行的选择，它是一种紧凑且经济高效的模块，可以轻松监控和控制多个相关参数。例如，探测效率可以在 10% 到 35% 之间调整，探测器的死区时间可以在 100 ns 到 80 µs 之间调整。在这两种情况下，都可以通过 GUI 中的下拉菜单或脚本命令（如果您愿意）轻松完成。

如果您对更好的信噪比性能感兴趣，ID230可提供低至 < 50 cps 的暗计数率 (DCR)，这在通信波长的商用 SPAD 中是无与伦比的。雪崩光电二极管的效率、死区时间和温度可通过简单的 USB 接口进行调整。

图 4 – ID230 允许调整系统探测效率高达 25%，死区时间从 2 µs 到 100 µs，二极管温度从 -50 ˚ C 到 -90 ˚ C。

Level 2——偏振不敏感的SNSPD

超导纳米线单光子探测器（SNSPD）提供出色的单光子探测性能，结合了极高的探测效率、低暗计数率、优异的定时精度和快速的恢复时间。

图 5 – 将我们的 Clavis XGR 与我们的 ID281 Pro SNSPD 系统相结合 – 这是一种紧凑型机架式系统，设计可靠、集成简单且易于使用。一个系统最多可容纳 16 个探测器。

IDQ 开发了偏振不敏感的 SNSPD，专门针对 Clavis XGR 的 QKD 性能进行了优化。这些探测器的性能转化为 QKD 性能，尤其是短距离内更快的密钥速率和更大的动态范围。见下图。

图 6 – 前所未有的 QKD 性能：当使用 ID281 作为 Clavis XGR 的外部检测器时，密钥速率为 400 kb/s，为 12 dB（典型值），动态范围至少为 40 dB。

单个ID281或ID281 Pro系统可以嵌入 SNSPD 探测器，为最多 5 个 Clavis XGR 接收器模块提供并行服务。例如，这可以让你构建一个星型拓扑，其中有五个链路，每个链路通常超过 200 公里。本例中的中心节点使用 ID281 Pro，高度仅为 23U，包括压缩机和真空泵（图中未显示）。