《APL Photonics》是由美國物理學會(American Institute of Physics, AIP)出版的科學期刊,專注於光子學領域的基礎與應用研究。該期刊旨在促進物理、化學、生物學和材料科學等多學科交叉的光子學研究,致力於發表在光子學領域具有重大突破性、創新性或長遠影響的高品質研究成果。

由鴻海研究院半導體所郭浩中所長與半導體所洪瑜亨博士、繆文茜研究員、蕭復合研究員及半導體所研究團隊,攜手陽明交通大學及台灣大學林恭如特聘教授研究團隊,與日本情報通信研究機構(National Institute of Information and Communications Technology, NICT)程志賢博士研究團隊,在共同合作之下,突破非同步式DPS-QKD技術,研究團隊特別感謝鴻海研究院李維斌執行長在研究過程中提供的寶貴指導與支持。

本研究利用非同步編解碼技術,透過縮短延遲線干涉儀(Delay Line Interferometer, DLI)的光路差距,擴展自由光譜範圍(Free Spectral Range, FSR),成功改善DPS-QKD系統對環境熱擾動的耐受性。研究團隊測試了四種具不同FSR的纖維化DLI,從40 MHz到1 GHz,結果顯示FSR擴展至1 GHz後,量子位元錯誤率(Quantum Bit Error Rate, QBER)降至2.2%,安全密鑰速率(Secure Key Rate, SKR)提升至77.32 kbps。

DPS-QKD 系統的架構圖。包括生成器(AWG 和放大器)、驅動器(電流源、電源供應器和偏置 T 接頭)、發射器(DFBLD)、調變器(強度和相位調變器)、光纖元件(單模光纖纏繞和衰減器)、解碼器(延遲干涉儀),以及接收器(SPAD、直流阻隔器和 DSA)。鴻海提供
DPS-QKD 系統的架構圖。包括生成器(AWG 和放大器)、驅動器(電流源、電源供應器和偏置 T 接頭)、發射器(DFBLD)、調變器(強度和相位調變器)、光纖元件(單模光纖纏繞和衰減器)、解碼器(延遲干涉儀),以及接收器(SPAD、直流阻隔器和 DSA)。鴻海提供

此外,團隊選用一種線寬僅296.66 kHz且波長穩定性優異的分佈式回饋雷射二極管(DFBLD)作為光源,成功將波長擾動控制在±0.05 pm,並顯著降低長期解碼誤差。

與傳統同步技術相比,非同步DPS-QKD技術在提高對熱擾動的抗干擾能力方面具有顯著優勢,同時有效減少了對高精度溫控與電流控制設備的依賴,進一步降低系統運行成本。短光路的DLI設計更提高了干涉穩定性,使系統能在多變的環境條件下穩定運行長達數分鐘以上。

研究指出,該技術還具備靈活性,允許在高編碼與低解碼速率間進行動態調整,實現低功耗且高安全性的量子密鑰傳輸。這項技術不僅顯示了量子通訊系統在安全性與穩定性方面的劃時代進步,也為未來量子加密技術的商業化應用奠定了堅實基礎,此次突破將成為推動全球量子光通訊發展的重要里程碑。

使用不同纖維化延遲干涉儀(DLI)並對應自由光譜範圍(FSR)為 40、192 MHz 和 1 GHz 的非同步位元速率 DPS-QKD 流的解碼性能:(a)在 DLI 可視性為 91.76% 時獲得的量子位元錯誤率(QBER)和安全密鑰速率(SKR);(b)在 DLI 可視性為最大值(約 96%)時獲得的 QBER 和 SKR;(c)模擬的可視性與溫度波動之間的關係;以及(d)放大顯示的可視性與溫度梯度變化的斜率,並隨 FSR 的增加而受到抑制。鴻海提供
使用不同纖維化延遲干涉儀(DLI)並對應自由光譜範圍(FSR)為 40、192 MHz 和 1 GHz 的非同步位元速率 DPS-QKD 流的解碼性能:(a)在 DLI 可視性為 91.76% 時獲得的量子位元錯誤率(QBER)和安全密鑰速率(SKR);(b)在 DLI 可視性為最大值(約 96%)時獲得的 QBER 和 SKR;(c)模擬的可視性與溫度波動之間的關係;以及(d)放大顯示的可視性與溫度梯度變化的斜率,並隨 FSR 的增加而受到抑制。鴻海提供

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