Light 基于薄膜铌酸锂的GHz速率时间比特量子通信接收器。 导读

　　 在量子通信领域，实现时间比特（Time-bin）编码量子态的高速操控与片上集成对构建可扩展、高性能且低成本的量子网络至关重要。近日，意大利帕维亚大学等联合团队研发出基于薄膜铌酸锂平台的吉赫兹速率时间比特量子通信接收器。研究团队通过设计级联马赫-曾德尔调制器架构，实现30 GHz以上电光调制带宽与1 GHz以上实时投影测量带宽，为时间比特量子通信的实用化与集成化提供了全新解决方案。该研究成果发表于国际顶级学术期刊《Light: Science Applications》，题为Gigahertz-rate thin-film lithium niobate receiver for time-bin quantum communication，意大利帕维亚大学的Andrea Bernardi为论文的第一兼通讯作者。

　　 研究背景

　　 时间比特编码量子态调控在量子通信、量子计算与量子传感领域至关重要，然而现有时间比特量子通信技术存在明显局限。集成光子器件具有结构紧凑、小型化的优势，但其性能受时间选择漏洞的严重制约，往往需要依赖高时间分辨率的单光子探测器，进而限制了密钥生成速率的进一步提升。同时，时间选择漏洞也会直接威胁量子密钥分发系统的安全性。而现有被动防御方案会造成显著的光子损耗，降低光子利用率。上述问题共同导致系统难以在高速运行与高度集成化之间实现兼顾。

　　 薄膜铌酸锂凭借其优异的电光调制特性，成为高速量子态操控的理想平台。然而，该体系目前缺乏能够兼顾高带宽切换与任意基投影测量的电路设计，难以在单芯片上集成调制、相移、干涉等核心功能。同时，其封装工艺与相位稳定性仍存在不足，无法提供稳定可靠、可实用化的集成接收端，这一系列问题严重制约了高集成度、高安全性时间比特量子通信系统的规模化部署与应用。

　　 创新研究

　　 针对上述问题，研究团队创新性地提出基于薄膜铌酸锂的全集成时间比特量子接收架构（如图1）。通过级联平衡与非平衡马赫-曾德尔干涉仪的核心设计，利用高速电光开关实现不同时间比特光子的确定性路径路由，让早晚期时间比特光子在干涉仪中完全时空重叠，突破传统时间比特量子测量的时间选择漏洞局限，使所有入射光子均参与量子干涉，从根本上解决了因舍弃非干涉事件导致的光子利用率低和量子密钥分发安全受损的问题。

　　 图1：概念示意图。

　　 研究团队开发了支持多模式高精度操作的集成光子实验平台（如图1系统架构）。首次在商用集成光子芯片上实现时间比特量子态的吉赫兹速率实时投影测量，可灵活切换三种工作模式完成干涉测量、无后选择任意基测量和计算基测量，还能将输出时间比特分离间隔提升至两百皮秒，大幅降低对单光子探测器的时间分辨率要求，解决了传统方案中探测器性能限制系统运行速率与实际应用的核心问题。

　　 研究团队同时优化了薄膜铌酸锂器件的制备工艺与封装设计（如图2）。通过深紫外光刻技术制备低损耗的铌酸锂波导，结合射频行波共面波导优化电光调制效率，将器件集成封装为标准电信规格的紧凑模块，实现30 GHz的电光调制带宽与1 GHz的投影测量带宽，仅通过温度稳定即可保证器件数十小时的稳定运行，无需额外主动反馈补偿相位漂移，为集成化量子通信系统提供了高稳定性、高带宽的核心接收器件方案。

　　 图2：制备的器件。

　　 总结与展望

　　 该研究成功研制出薄膜铌酸锂基全集成时间比特量子通信接收器，通过创新架构消除时间选择漏洞，实现无后选择量子态投影测量，完成高保真度纠缠态表征与长时间稳定的量子密钥分发实验，验证了器件实用性及薄膜铌酸锂平台在量子通信领域的适配价值。

　　 未来可优化器件射频与封装设计、提升调制带宽和系统速率，改进波导与偏振设计优化干涉性能。同时结合高维量子态技术与多光子自由度调控，推动器件与电信系统融合，助力规模化量子通信网络构建。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

　　 相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02306-5

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作者：Andrea Bernardi 来源：《光：科学与应用》