ID Quantique和IonQ推出Clavis XG Multiplex，使量子安全能够在城域网中大规模部署

Clavis XG量子密钥分发产品系列的新成员，能够让量子通信与传统通信在现有的城域光纤基础设施上共存。 Geneva – June 17 – ID Quantique与全球领先的量子平台公司IonQ（纽约证券交易所代码：IONQ）今日宣布推出Clavis XG Multiplex，这是该公司Clavis XG量子密钥分发（QKD）产品系列的新成员，旨在让量子安全在城域光纤网络中更加实用且易于部署。在该领域，Clavis XG产品线在企业级网络集成方面具有明显优势，从外形尺寸、维护到配置与管理皆是如此。 Clavis XG Multiplex可在客户现有的网络基础设施上实现基于物理原理的高性能密钥分发，运营商无需为量子安全重新设计、隔离或专门搭建光网络。这样一来，在敏感数据和暴露风险往往集中的网段，企业能够以更低成本的实用方式降低长期加密风险，与此同时，整个企业范围内更广泛的后量子密码学（PQC）迁移仍在继续。这种多路复用解决方案是该公司量子安全和PQC产品系列中的最新产品。 “量子安全正超越专用网络环境，对于如今运营关键基础设施的组织而言，复用已成为一项必要特性。Clavis XG Multiplex通过让客户能够灵活地在同一根光纤上传输多种类型的数据，推进了IonQ的量子安全平台，使现有基础设施更具企业级水准、更安全，并且降低了量子密钥分发（QKD）的运营成本。” Jordan Shapiro, IonQ President, Quantum Platform 最紧迫的安全需求之一是“先收集，后解密”的威胁，这是近期一项研究中61%的受访对象最担心的与量子相关的问题。包括金融、受监管和战略信息在内的必须保密数十年的数据，通常在组织控制的局域网（LAN）中传输。这类局域网如今成为数据收集的诱人目标，以便日后解密。 这项新产品以该公司的Clavis XG量子密钥分发（QKD）产品组合为基础，在现有的城域网和局域网光纤环境中提供企业级可靠性和稳定运行。与该公司的端到端、量子安全密钥交换软件平台Clarion KX相结合，Clavis XG Multiplex形成了一个统一的量子安全架构，将量子衍生密钥和后量子密码学结合在一起，帮助客户从规划阶段迈向生产部署。 IonQ从一个专为实际运营设计的平台实现量子安全部署：实用、可扩展，并且与各组织为必须长期保持安全的数据构建深度防御保护的方式保持一致。 探索Clavis XG QKD产品更多信息

应用：量子网络、量子计算、光学地面站、偏振敏感实验 产品：ID281，ID281 Pro保偏超导纳米线单光子探测器 摘 要 利用光电倍增管（PMT）和单光子雪崩二极管（SPAD） 等技术， 可以实现单个光子的探测并将其转换为机器可读信号。在量子科学前沿领域， 超导纳米线单光子探测器（ SNSPD） 具有无可比拟的效率（>90%） 、极低抖动（<20皮秒）、极低暗计数（<1次/秒） 以及高探测速率（>Gcps） 。然而，其最高效率通常取决于入射光的偏振状态。 在 量子网络 和 光子量子计算 等应用中，从信号传输到检测过程中保持其偏振态至关重要； 若未加以有效管理， 这可能成为系统性能的瓶颈。事实上，温度变化或光纤弯曲等环境因素会导致偏振态漂移，从而随时间推移影响系统的可靠性。例如， 在机架式系统中使用的短距离光纤（数米长度）就可能出现这种情况——这类系统通常用于部署量子处理单元（QPU）、量子网络（QN） 或光学地面站（OGS）。 为应对这一挑战，ID Quantique开发了保偏光纤耦合SNSPD （ PMF SNSPDs）， 该解决方案将高性能检测与可靠的偏振控制相结合。这简化了系统集成流程， 尤其适用于需要长期稳定性与免维护操作的场景。使用PMF SNSPD时， 无需担心最后一段光纤中的偏振扰动。 引 言 当前单光子探测（ SPD）领域的黄金标准是超导纳米线单光子探测器（SNSPD）。这类器件由一条蜿蜒的超导纳米线构成，其超导特性始终维持在接近超导阈值的状态（详见图1。单个光子的吸收会在纳米线中产生局部但可测量的电阻峰值。目前，IDQuantique（IDQ）生产的SNSPD器件具有超高效率（>90%）、超低抖动（<20皮秒）、极低暗计数（<1次/秒）及高探测速率（>Gcps）等优势。这使得SNSPD在光子实验和工业应用中的适用范围远超其对应的单光子雪崩二极管（SPAD）或光电倍增管（PMT）。然而，SNSPD卓越的探测效率也存在一个缺陷：探测器的蜿蜒结构决定了光子吸收方向具有方向选择性，从而将最大可实现探测效率限制在特定偏振方向。 动机：为什么偏振很重要？ SNSPD 性能取决于偏振状态。 图1：典型SNSPD探测器的示意图及其架构，图中显示光纤尖端恰好位于探测器感光区域上方，用于引导入射光。[1]。插图为典型SNSPD探测器的扫描电子显微镜（SEM）图像。带电流偏置的超导纳米线（Ibias）沿特定方向（以黑色垂直线标示）蜿蜒延伸，这一特性构成了其偏振依赖性效率的基础。当光子偏振方向与蜿蜒路径平行时（即θ= 0°),可实现光子的最大吸收效率（即最佳探测器效率）。 当输入光的线偏振方向倾斜角度为θ ≠ 0° 时（如图1插图所示）,SNSPD 的效率会降低 。事实上，纳米线的蜿蜒结构提供了特定的优选检测方向；只有当光偏振方向与该优选方向平行时,才能实现完全的检测效率[2]。这种依赖关系并非仅仅是可能性，因为 输入光的偏振状态可能因多种原因发生变化， 例如： 输入光纤的弯曲 、扭转和/或温度波动 。这些扰动通常是光在光纤中传播时偏振发生改变的原因,最终会影响检测性能 。传统的应对方法是在将光注入探测器之前加装偏振控制器来校正这些偏振扰动,在实验室环境中通常足以满足需求。另一种解决方案是采用 IDQ 公司的偏振不敏感型 SNSPD ，该器件采用螺旋迂回结构，但其效率通常略低。 偏振敏感应用示例偏振敏感应用的实例包括偏振态量子存储[3]以及大都市区域的量子通信[4]（此类场景需要确保正确的偏振状态测量基底）， 或偏振敏感光学相干断层扫描（ PS OCT） [5]。但其他应用（如图2所示）也可能受到偏振敏感性的影响： 用于空间至地面量子密钥分发（QKD） 的光学地面站（ OGS）， 如图所示 ： 一个配备量子网络设备的量子化数据中心机房。 限制访问的量子计算设施。 这些偏远且难以到达的环境中的光纤网络中， 任何不必要的偏振漂移都可能损害整个检测系统的性能。图2，典型的空间 QKD 方案或量子网络中的节点。诸如(1)空间至地面 QKD 或(2)量子网络节点等应用所处的严苛环境要求最后一段光纤也必须采用 PMF 材料， 以避免在探测器前（如 水平臂 ） 出现偏振漂移。事实上， 由于热不稳定性环境导致的偏振漂移是普遍现象   因此需要在输入端配置偏振控制器并后续使用 PMF 技术。这能够为 QKD 应用提供正确的测量基矢，从而确保较低的量子比特误码率（QBER） 。对于量子网络应用而言，采用 PMF - SNSPD 技术可避免给系统增加不必要的复杂性：若使用标准 SNSPD ,则需在最后一段光纤中额外增加偏振控制步骤（类似于最后一个PBS后的 垂直臂 ）。而采用PMF 耦合SNSPD 技术可简化系统 。 因此，在这些应用中  ,如 水平臂 所示 ,使用PMF SNSPD 技术具有 显著优势 。 解决方案 保偏光纤（PMF） 保偏光纤（ PMF） 是一种特殊类型的光纤， 其设计旨在确保光在光纤传输过程中保持两种相互正交的特定偏振态 。与标准单模光纤（ SMF） 不同——后者会因应力或温度变化等环境因素导致所有输入偏振态随传播路径发生偏移—— PMF 利用其高双折射特性来维持光的这两种特定偏振态。 双折射现象是由结构不对称性引起的， 通常是通过沿光纤纤芯嵌入的应力施加部件（应力棒） 实现的，如图3所示。这会导致两种正交偏振模式（通常称为快轴和慢轴） 以不同的相速度传播。 由于 PMF 出口处的偏振态通常仍呈轻微椭圆形， 表征

光子数分辨能力（PNR）是指探测器不仅能检测光脉冲中的光子存在，更能准确区分其数量的特性。在量子科学领域，这一要求更为严苛：目标是根据探测器输出的信号准确推算出光子数量。预测概率越高，PNR测量的保真度就越高。这种能力对量子光学、光量子计算、量子通信以及所有需要单次测量光子数量的应用都至关重要。根据探测器类型（如时间分辨探测器TES、SNSPD、 HPD 、硅光电倍增管SiPM等），可通过不同分析策略实现PNR。本文展示了将Swabian Instruments的时间标记技术与ID Quantique（IDQ）的PNR SNSPD 技术相结合，实现具有卓越保真度的PNR检测。 实验装置 为实现高保真光子数分辨（PNR）检测， IDQ 开发了一种独特的并行 SNSPD（P- SNSPD）设计，采用8至28 SNSPD 像素的交错阵列并行集成在芯片上[1]。这种布局使得所有像素可通过单根同轴电缆读取。该设计将光子数信息编码在生成的电信号脉冲幅度和宽度中。借助Swabian Instruments时间标记器的独特功能，仅需单个输入通道即可同时记录脉冲的上升沿和下降沿。利用这些信息，测量脉冲宽度并高保真推断信号中光子数量变得轻而易举。 图1-光子数分辨（PNR）检测装置： IDQ 的P-SNSPDs、 IDQ 的PNR-LinQ以及Swabian Instruments的TimeTaggerX（TTX）。图表展示了使用两个 TTX 通道对每个可能脉冲幅度（对应P- SNSPD 上的1至8个点击）进行的脉冲宽度测量。 图1展示了测量装置的结构。光脉冲入射到P- SNSPD 上，其产生的电信号则显示在右侧。虽然系统展示了所有可能的电信号幅度（最多可显示八种不同脉冲），但每次检测仅实现一个脉冲。这些幅度的分布与光子数量的统计规律高度吻合。该装置的核心目标是实现高精度的脉冲识别与时间标记。ID Quantique PNR-LinQ系统可根据实际需求配置脉冲副本数量，因为单个副本可能无法高保真地识别多达8个光子。如图1所示示例中，系统生成了两个副本：一个用于蓝光通道，另一个用于红光通道。需要特别说明的是，分束器输出的电压幅度经过调整，完全符合Swabian Instruments公司Time Tagger X（TTX）脉冲系统的技术要求，确保了与该系统的完全兼容性。 振幅通过测量特定触发电平下的信号宽度来确定，该测量采用Swabian Instruments软件包提供的启停测量功能。如图1所示，蓝色样本的脉冲宽度测量时，判别电平设置为触发P- SNSPD 电脉冲第一电平的振幅；红色样本的测量时，判别电平则设置为第四电平的振幅。 图1右侧展示了脉冲分析结果。 TTX 测量每个脉冲上升沿与下降沿之间的时间差。蓝色通道用于识别前三个电平（1至3）的宽度，红色通道用于识别第四至第八电平（4至8）的宽度。各案例的测量宽度如图所示并标注。 实验结果 图2 - 蓝通道（左）与红通道（右）测量事件的对数尺度直方图。条带显示对应于不同电脉冲振幅水平宽度的区域。 该测量过程重复多次，测得的宽度分布如图2所示。左图展示蓝光通道的测量宽度，右图则显示红光通道的测量结果。彩色条带用于标识不同层级的识别宽度。各条带之间几乎无重叠，这表明正确幅度的分配可实现高精度。这一特性是通过P-SNSPD获得高保真PNR测量的关键所在。 总结与展望 本文提出的方法是一种创新、高度实用且可扩展的解决方案，可实现高保真度的单次光子数识别。该方案融合了Swabian Instruments公司Time Tagger X与 IDQ 公司P- SNSPD 技术的独特优势。这项光子数分辨测量技术的突破，预计将对多种应用场景产生深远影响。它能以高检测率实现光子数分辨测量，这将显著提升光量子计算与量子通信的可扩展性。此外，该技术还将为充分利用多光子检测潜力的新应用创造机遇。