近年来，新兴的光量子芯片在量子通信和量子互联网领域取得了重大进展。光量子芯片芯片具有可扩展、稳定和低本钱等特点，为微型化运用开辟了新的可能性。
7月14日，一篇揭橥在《light: science & applications》的文章概述了用于量子通信的光量子芯片进展。这篇综述对实现基于芯片的高性能量子通信所面临的寻衅进行了总结，并对集成量子网络的未来机遇进行了展望。
“Recent progress in quantum photonic chips for quantum communication and internet”
/目录/
一、光量子芯片，新一代量子技能的空想平台
二、光量子芯片的关键技能
2.1. 量子光源
2.2. 可重构光量子元件
2.3. 单光子探测器 (SPD) 和零差探测器
2.4. 芯片封装及系统集成
三、量子安全通信系统
3.1. 量子随机数发生器（QRNG）
3.2. DV-QKD 系统
3.3. CV-QKD 系统
四、纠缠分发和量子隐形传态
五、光子集成促进量子通信的实际运用
量子通信将量子力学事理运用于量子信息传输，从根本上改进了安全、打算、传感和计量学。这一领域席卷了从最前辈的实验室实验到商业现实的各种技能和运用。
最著名的例子便是量子密钥分发（QKD）。QKD 的基本思想是利用光子的量子态在迢遥的双方之间共享密钥。量子不可克隆性定理授予了通信双方探测任何试图获取密钥的窃听者的能力。由于这里的安全性基于量子物理定律而非打算繁芜性，QKD 被认为是应对新兴量子打算硬件和算法所带来威胁的空想办理方案。
只管环绕其实际安全性存在争议，但 QKD 正在引领现实天下的运用。例如，基于光纤和卫星到地面的 QKD 实验分别在 800 千米的超低损耗光纤和 2000 千米的自由空间中进行了演示。单信道的最大安全密钥传输速率已超过 110 Mbit/s。欧洲、日本、中国、英国等国已经建立了多个实地测试 QKD 网络。此外，为了战胜目前的技能限定，人们对实用 QKD 系统的安全性进行了深入研究。后量子加密技能与 QKD 相结合，实现了认证的短期安全和密钥的长期安全。
除 QKD 外，量子隐形传态也引起了广泛关注，它利用量子纠缠以有效不可破解的办法传输薄弱的量子信息。在此根本上，量子网络可以连接各种量子设备，从而实现无与伦比的功能，而这些功能仅利用经典信息技能是无法实现的。量子安全直接通信（Quantum secure direct communication，QSDC）是量子通信的另一个主要分支，也为安全数据传输供应了机会。这项技能近年来发展迅速，利用户无需共享加密密钥就能通过安全量子信道直接传输机密信息。例如，一个拥有 15 个客户真个 QSDC 网络已经得到验证。结合后量子加密技能，可利用现有技能构建端到端安全的 QSDC 网络。
传统量子通信系统常日利用分立光学器件构建。一样平常来说，这些器件分别由光学玻璃（如熔融石英和二氧化硅）和光学晶体（如方解石、β 硼酸钡和铌酸锂）组装而成，并通过自由空间或光纤连接。虽然对单个元件进行优化以知足量子信息运用中的超低损耗、高效率、高速率和高保真等严格哀求非常方便，但互连和封装一贯是传统分立光学设计在可靠性和本钱方面面临的重大寻衅——尤其是在处理连接数十万用户的大规模网络时。
例如，须要较高的机器稳定性和热稳定性，以减轻因环境压力和温度变革而导致的空间和相位偏差，而这在繁芜的分立光学系统中很难通过全局稳定来实现。因此，目前由分立光学元件组成的笨重系统可能难以知足对更大容量传输能力日益增长的需求，这就表示了芯片级量子通信系统的巨大上风。
光量子芯片是新一代量子技能的空想平台。与分立光学系统比较，光量子芯片除了微型化外，还有两个突出上风：即可扩展性和稳定性。可扩展性的实现是由于芯片及其所有组件都是通过光刻技能打印出来的，而不是一个组件一个组件地制造出来。由于电路建立在坚固紧凑的固态平台上，可以最大限度地减少振动或温度变革造成的偏差，因此实现了稳定性。这两个上风对付实现量子信息处理和高效量子通信所需的集成度和性能水平至关主要。此外，光量子芯片具有低本钱生产的巨大潜力。虽然制造所需光罩的初始本钱较高，但通过大规模生产，每个芯片的均匀本钱可以大大降落。
经由几十年的努力，光子集成已在单个量子通信系统的各个方面实现，包括光子源、编码和解码光子电路以及探测器。原则上，集成光子芯片可结合量子通信运用所需的许多空想特性，如效率、本钱效益、可扩展性、灵巧性和性能。这些特性以及晶圆级制造工艺，使基于芯片的量子通信系统成为未来量子技能的一个引人瞩目的平台。
集成量子通信的三个方面：用于大规模集成的光子材料平台；量子光子元件，如量子光源、高速调制器和高效光电探测器；以及在 QKD和量子隐形传态中的范例运用。
用于量子通信的光量子芯片的进展韶光表。关键里程碑包括首次演示用于量子加密的片上量子干涉仪、光子芯片上的量子隐形传态、基于芯片的 DV-QKD、CV-QKD和 MDI-QKD 和芯片到芯片的量子隐形传态。
单片集成光子平台的最新技能规格
1）量子光源
能产生指定量子态光的光子源是量子光学系统的关键要素。一样平常来说，量子通信网络构造须要单光子态和纠缠光子态 ，它们可以通过单光子发射器确定性地得到，也可以通过参数非线性过程概任性地得到。
量子点凭借其发射特性的确定性，被认为是按需产生单光子或纠缠光子对的最有出息的候选器件之一。特殊是，它们体积小、与半导体技能兼容，因此非常适宜芯片集成。在单光子发生方面，单个 InAs/GaAs 自组装 QD和 InGaAs QD 的纯度、萃取效率和光子不可分性分别达到 99.1%、66%、98.5% 和 99.7%、65%、99.6%。然而，这些基于微柱的 QD 单光子源由于具有平面外发射特性，在波导集成方面存在困难。或者，可以将 QD 嵌入光子晶体波导或异质波导构造中，实现与波导的高效耦合。纠缠光子对也可以利用 QD 中的双复调-激子-激子级联辐射过程得到。除 QDs 外，其他一些固态量子发射体，如金刚石中的色心、碳化硅 、碳纳米管以及二维材料中的毛病等也已得到研究，并显示出了在芯片上产生单光子或纠缠光子对的巨大潜力。
片上量子点(QD)光子源
集成概率量子光源常日利用光波导或其他光子构造（如微盘和环形谐振器以及光子晶体）中的自发四波稠浊（SFWM）或自发参量下变频（SPDC）。由于光的紧密约束，这些非线性参数过程在芯片上得到了极大的增强，从而能够在小型化配置中高效天生高质量的光子态。在 SFWM 中，两个泵浦光子泯没后产生一对旗子暗记光子和惰性光子，个中泵浦（ωp1、ωp2）、旗子暗记（ωs）和惰性光子（ωi）的频率必须服从ωp1 + ωp2 = ωs + ωi，以保持能量。在 SPDC 中，一个泵浦光子被分成一对旗子暗记光子和惰光子，个中泵浦（ωp）、旗子暗记（ωs）和惰光（ωi）的频率必须同时知足 ωp = ωs + ωi。基于这种三光子过程的光子源已在具有二阶非线性的平台上实现，这些光子源的紧张问题是它们产生光子的办法不愿定，而且产生率受到亮度和多光子概率之间基本权衡的限定。
复用技能为办理这些问题供应了一种可行的方法。例如，一个集成的空间复用预示单光子源（HSPS）可将两个单独泵浦的光源和两个通过共同输入泵浦的光源的单光子天生概率分别提高 62.4% 和 63.1%。要进一步提高效率，须要更好的超低损耗和小型化延迟线，以及更快的开关和更快的电子设备来同步操作。
在实际量子通信系统中，并不总是须要单光子源和纠缠光子源。根据诱骗态协议，弱相关脉冲可作为单光子态的可靠替代品，用于大多数准备和丈量 QKD 运用。因此，只需衰减片上激光器产生的相关脉冲，就能实现集成光子源；这种光子源已经在多个基于芯片的 QKD 系统中得到了验证。
不同类型的基于芯片的参数光子源
2）可重构光量子元件
光量子状态的操纵对付量子通信中的量子信息处理至关主要，而利用现成的集成光子学无源和有源元件可以很随意马虎地实现这一点。
在范例的量子通信系统中，光子常日在偏振、相位、空间、光谱和韶光域中进行处理。因此，它须要能影响光子这些自由度的构件，如偏振分路器/旋转器、移相器、强度调制器、定向耦合器、多模干涉仪（MMI）、环形谐振器和延迟线。个中，移相器可通过热光学效应实现低速运用，通过泡克尔斯效应实现高速运用。
这类器件已在多种集成平台中得到验证，例如带有热光学移相器的用于量子隐形传态的紫外写入硅基硅光子芯片、依赖泡克尔斯效应的带有可调谐马赫-泽恩德干涉仪（MZI）的砷化镓量子光子电路、由 30 个硅基硅波导定向耦合器阵列和 30 个热光学移相器组成的可重新编程线性光路以及大尺寸量子光子芯片，以及集成了 16 个 SFWM 光子对源、93 个热光学移相器和 122 个 MMI 分束器的大型硅光子量子电路。基于量子限定斯塔克效应（QCSE）的片上调制器也可用于脉冲产生和频率高达 GHz 的量子比特编码。对付偏振编码协议，已经设计并演示了基于偏振旋转器和偏振分束器的调制器，用于天生 BB84 偏振态。
光量子芯片上的范例集成元件
除上述元件外，量子光子芯片与光纤之间的光学连接还须要额外的集成元件。当只有一种输入或输出偏振时，可利用一维光栅耦合器和面外耦合器。否则，在有更多偏振和更宽光谱范围的情形下，可采取边缘耦合器，如用于对接耦合的倒锥形耦合器。此外，支持多极化操作的二维光栅耦合器已被证明可将路径编码的量子比特转换为偏振编码的量子比特——后者更适宜在光纤中传播。
3）单光子探测器 (SPD) 和零差探测器
高效的单光子探测对量子通信运用非常主要。
探测器概览
特殊是，由于与片外探测器连接会导致不可避免的耦合损耗，因此完备集成的单光子二极管非常空想。最近，一种集成波导耦合硅基 Ge-on-Si 横向雪崩光电二极管被证明可用于单光子探测，1310 纳米波长下的效率为 5.27%，80 K 时的暗计数率为 534 kHz。然而，这种单光子雪崩光电二极管在高效率下每每会涌现暗计数过多的问题。作为替代方案，单光子雪崩光电二极管具有更高的探测效率、更低的韶光抖动以及光子数分辨（PNR）能力，从而大大降落了暗噪。
在 GaAs、Si、Si3N4、LN等平台上已宣布了波导集成 SNSPD，个中嵌入 Si 波导上的行波 SNSPD 的探测效率高达 91%，暗计数率低至 50 Hz，并在低温条件下证明了可重构元件与 SNSPD 的片上兼容性。波导 PNR 探测器可通过将多根导线串联成图案来实现。
平衡探测器已在连续可变（CV）量子信息运用中得到广泛利用，是量子丈量的另一个关键探测元件。最近的发展大大提高了集成同步探测器的性能，使其在体积小、稳定性好、带宽宽、噪声低和高度共模抑制等方面达到了更高水平。例如，在硅光子芯片上单片集成了一个带宽为 150 兆赫、间隙为 11 分贝的同步探测器。然而，分立放大电子元件大大增加了器件的占地面积。为减小尺寸和总电容，利用线键合技能将硅锗同源探测器芯片与放大器芯片集成在一起，从而实现了 1.7 GHz 的 3 分贝带宽和高达 9 GHz 的射噪限定带宽。
类似的方法还被用于构建由低寄生光电二极管和低噪声高速跨阻放大器组成的芯片级 InGaAs 探测器。虽然采取商用电信跨阻放大器很方便，但它们常日会带来不理想的电气噪声。将同源探测器与定制的互阻抗放大器共同设计和集成，可有效降落噪声并显著提高性能，从而实现 20 千兆赫的射击噪声限定带宽和高达 28 分贝的量子射击噪声(quantum shot noise)打消率。
4）芯片封装及系统集成
虽然裸光量子芯片可利用探测站进行表征，但必须将其封装成耐用模块，才能开拓出事情原型设备。为此，人们提出了许多将光量子芯片封装成紧凑型系统以用于实际运用的工艺。
一样平常来说，光子封装涉及光子芯片与光子模块中片外元件之间的光、电、机器和热连接所需的一系列技能和能力。光纤到芯片的耦合是最著名的方面之一。光纤与芯片上范例波导之间耦合的紧张寻衅在于它们的模场直径 (MFD)之间的巨大差异。例如，电信单模光纤（SMF）在 1550 nm 处的模场直径约为 10 μm，而相应的带状硅波导的横截面常日只有 220 × 450 nm。这种不匹配可以通过利用能从波导中有效提取模式的配置来缓解，例如与透镜式 SMF 光纤或超高数值孔径光纤相连接的倒锥形边缘耦合器，以及与 SMF 光纤相连接的光栅耦合器。就利用光栅耦合器的方法而言，在 260 纳米厚的 SOI 平台上可实现高达 81.3% （-0.9 dB）的耦合效率，而无需背反射器或覆盖层。此外，在 200 毫米 SOI 晶圆上制造的边缘耦合器的效率也超过了 90%；据宣布，在 1550 nm 波永劫，其耦合损耗约为 1 dB。
要访问光量子芯片上的电子元件，须要利用电子封装来传输来自电子驱动器、放大器和其他掌握电路的旗子暗记。这常日通过与专用印刷电路板（PCB）连接来实现。印刷电路板与芯片上的键合焊盘之间的连接常日利用键合线。当须要大量电气连接或对多通道进行亚纳秒级精确掌握时，可利用定制电子集成电路 (EIC) 进行 2.5 维或 3 维集成。这种集成可通过焊球凸块或铜柱凸块互连实现，为光子芯片供应稳固的电气、机器和热接口。
光量子器件的全局热稳定对付须要高精度和可重复性的原型或常见时令性温度颠簸的现场测试至关主要。这可以通过被动冷却技能或热电冷却器 (TEC) 来实现。热电冷却器增加的整体稳定性使芯片上单个光子元件（如微环谐振器、热光学移相器等）的局部温度调节更有效、可重复性更好。此外，还可安装液体冷却装置，进一步提高系统的冷却能力。
芯片封装和集成实例
作为最发达的量子安全通信技能，基于散装或光纤组件的 QKD 已被银行和政府用于为数据传输供应高等别的安全性。然而，更广泛的运用哀求 QKD 系统更加坚固、紧凑，并能以更低的本钱大规模制造。在本节中，我们将从系统层面先容最近为实现完备基于芯片的 QKD 平台所做的努力。
范例集成式 QKD 的履行
1）量子随机数发生器（QRNG）
加密的安全性取决于密钥的质量或不可预测性，这意味着真正的随机数发生器是量子安全通信系统的主要组成部分。虽然伪随机数很随意马虎创建，但其固有的确定性行为使其无法被视为真正的不可预测数。因此，人们开拓了 QRNG 来天生真正的随机数，这些随机数具有不可预测、不可复制和无偏等特性，而这些特性都得到了量子物理学基本事理的担保。
集成量子随机数发生器（QRNG）
最常用的 QRNG 协议包括量子相位颠簸方案和真空状态方案。这些方案通过采取光电探测器而不是单光子探测器，可轻松实现高达 Gbps 的随机比特率。除了实时输出速率，模块尺寸也是 QRNG 实际运用的一个关键参数。
集成光量子学这一新兴技能在缩小尺寸方面具有相称大的上风。最近，利用繁芜程度不同的各种集成技能，许多集成 QRNG 实现都得到了验证。利用多路复用探测器，基于 LiNbO3 平台的 QRNG 实现了 3.08 Gbps 的实时速率，而 InP 平台则构建了量子熵源。由于 SOI 平台与 III-V 系统比较具有更高的集成密度和更成熟的技能，因此也有宣布称在 SOI 平台上通过丈量相位颠簸和真空状态实现了 QRNG。
不过，值得把稳的是，SOI 上的锗光电二极管会产生很大的暗电流，这会降落片上 QRNG 的性能，须要仔细优化才能缓解。其余，通过与 SOI 芯片封装在一起的高带宽跨阻抗稠浊放大器，构建了基于 InGaAs 光电二极管的集成 QRNG，其实时输出速率为 18.8 Gbps。另一种集成 QRNG 基于独立单光子雪崩二极管的并行阵列，由直流偏压发光二极管均匀照射，并与用于后处理的逻辑电路共同集成。基于 CMOS 的 QRNG 的实时比特率最高可达 400 Mbps。最近，通过光电子集成电路的定制协同设计和通过数字滤波减少副信息，利用与砷化镓跨阻抗放大器电路共同封装的 SOI 光子芯片，创下了 100 Gbps 的创记录天生速率。
2）DV-QKD 系统
在范例的 QKD 实现中，密钥被编码为离散变量（DV），如光子的偏振或相位。这种 DV-QKD 协议的一个突出例子是诱骗态 BB84，它已被广泛运用于最前辈的商业运用中。根据协议，光源、调制器、单光子探测器和基本无源光学元件构成了 DV-QKD 系统的紧张框架。这些元件的光子集成始于用于差分相移 QKD 实验的非对称 PLC MZI。与基于光纤的同类产品比较，片上干涉仪在相位解码方面的运行更加精确和稳定。
随后，一系列紧凑型 QKD 设备被展示出来。例如，制造出了微型 QKD 发射器，其尺寸与光电调制器相似，个中包含一个分布式反馈激光器和一个调制器。这种小型发射器可产生以 BB84 偏振态和诱骗态编码的 1550 nm 弱相关脉冲。集成在手持设备中的客户端吸收来自 QKD 做事器的微弱激光脉冲，然后对每个脉冲进行衰减和编码，再将信息比特回传给做事器。此外，基于有效尺寸为 25 毫米 × 2 毫米 × 1 毫米的集成光学构造，提出了手持式 QKD 发射器模块的设计和评估。在该模块中，四个垂直腔表面发射激光器与四个通过聚焦离子束铣削制造的微型偏振器耦合，用于天生偏振量子比特。这些量子比特与用硼硅玻璃制造的波导阵列相结合，以确保空间重叠。
前面谈论的装置表明了部分集成 QKD 系统的可行性。然而，完备基于芯片的系统对付提高性能、小型化和增加实际支配所需的功能至关主要。事实上，基于最近在散装光学发射器中引入的直接相位调制方法，可以实现无调制器 QKD 发射器芯片。利用无调制器芯片，诱骗态 BB84 和分布式相移协议在 20 dB 衰减时的安全密钥速率分别达到了 270 kbps 和 400 kbps。最近，基于 InP 光子集成电路组装成的紧凑型模块，开拓出了一种完备独立的 QKD 系统。该系统集成了量子发射器、吸收器和 QRNG 芯片，能以千兆赫的时钟速率进行量子随机数天生和密钥分发。
具有稠浊材料平台的基于芯片的 QKD 系统
硅光子技能是另一种适宜全芯片 QKD 系统的极具吸引力的平台。只管光源和 SPD 的集成仍旧具有寻衅性，但近年来已有一些基于硅的 QKD 器件的事理验证演示报告。此外，还宣布了其他利用硅光子技能的演示，包括用于自由空间日光 QKD 的集成状态编码器、基于分时协议的硅光子 QKD 收发器、用于高速分布式相位参考 QKD 的硅光子发射器和用于多用户的集成 QKD 吸收器。
用于多种 QKD 协议的硅光子芯片
最近，利用芯片系统实现前辈的 QKD 协议引起了人们更多的兴趣，由于这些协议将极大地受益于光子集成。利用硅光子集成电路演示了基于多核光纤空分复用的高维 QKD 协议。这些电路为创建高维量子态供应了更有效的方法，使低而稳定的 QBER 远远低于相关攻击和单个攻击极限。此外，独立于丈量设备（MDI）的 QKD 肃清了所有侧信道检测漏洞，非常适宜基于芯片的客户端-做事器场景，即客户端持有低本钱光子芯片，而做事器作为不受信赖的节点，集成了可在多个用户之间共享的最昂贵的元件。
用于前辈 QKD 协议的不同基于芯片的量子通信系统
3）CV-QKD 系统
除了 DV-QKD，还有几种 QKD 协议被提出来将关键信息编码为连续变量，如量化电磁场的正交分量值。一个紧张的技能差异是，CV-QKD 的实现只须要同源检测器，而不是 DV-QKD 中利用的专用 SPD。这一特点肃清了对额外低温系统的需求，极大地简化了检测设置。因此，CV-QKD 天然适宜光子集成，并与经典高带宽通信系统中利用的基于芯片的相关检测方案兼容。事实上，有人提出了一种硅光子收发器设计，个中包括所有紧张的 CV-QKD 组件以及完全的子系统；有人证明了集成在光子芯片上的同调探测器（homodyne detector）丈量量子态和天生随机数的可行性。最近，通过在硅光子芯片上集成所有光学元件（激光源除外），实现了与现有光纤通信根本举动步伐兼容的稳定、小型化的 CV-QKD 系统。
事理验证表明，该系统能够在 100 千米的仿照光纤间隔内产生 0.14 kbps 的密钥速率（在集体攻击下）。芯片式 CV-QKD 系统的性能可以通过进一步优化检测模块来提高。例如，通过将 CMOS 兼容硅和硅锗纳米光子元件与硅锗集成放大电子元件连接，实现了高速同传检测器：该探测器的 3 分贝带宽为 1.7 GHz，射噪限定为 9 GHz，仅需 0.84 平方毫米的微型基底面。
用于连续可变 (CV) QKD 和高速同调检测的集成电路
从超导量子比特、捕获原子、氮空位中央到连续可变态等许多平台都已证明了量子隐形传态。在这些实现办法中，光量子比特是最有希望在量子网络中构建量子通道的候选方案之一，由于它在喧华环境中表现稳健，而且在室温下易于操作。此外，它还能承受更长的传播间隔，并将周围环境的滋扰降至最低。迄今为止，光量子隐形传态已通过自由空间和光纤系统等多种办法在实验中得以实现。
基于芯片的量子隐形传态和纠缠分发系统
量子隐形传态首次在实验中得到验证时，量子比特被编码在光学台上的自由空间系统中由 BBO 晶体产生的光子的偏振中。后来，墨子号卫星和地面站之间的自由空间传送记录被推至 1400 公里以上——这一造诣为环球互联量子网络铺平了道路。不过，考虑到自由空间传输在光束发散、指向和网络方面的寻衅，光纤系统更有希望成为具有本钱效益的城域量子网络；目前，基于光纤实现的最远间隔为 102 公里。
光量子比特隐形传态的紧张寻衅之一是，利用线性光学技能时，贝尔态丈量的理论效率仅为 50%。为了战胜这一限定，可以采取连续可变光学模式作为实现完备确定性状态远距传输的替代方法。这种方法已在 6 千米长的光纤通道上得到验证。然而，由于这种方案对信道损耗很敏感，其保真度仍有待提高。对付其他类型的量子比特，利用捕获原子系统已经实现了 21 米的创记录间隔。
随着量子隐形传态不断向现实运用迈进，集成作为一项关键技能的主要性日益凸显。在未来的量子网络中，将有可能在固定硬件（如空间站中的中继器）或移动硬件（如无人机）中嵌入隐形传态芯片，将这些设备转变为轻便小巧的量子节点。这样就能远程访问量子设备，共享量子信息或开释更大的打算能力。之以是能取得这样的进步，是由于我们有能力在芯片上天生和操纵不同自由度的纠缠光子对，例如 MZI中的路径编码纠缠态、通过双折射构造工程设计的偏振编码纠缠态以及弗朗森干涉仪中的韶光带纠缠态。
据宣布，第一个片上隐形传态采取了片外光子源，保真度达到 0.89，只管它是在单个芯片内实现的。集成光量子学的最新技能进步使基于纠缠的量子通信协议的实现超越了单芯片。硅光子芯片上单片集成了所有关键部件，首次演示了芯片到芯片的纠缠分发。产生了片上纠缠贝尔态，并通过二维光栅耦合器转换片上路径编码态和光纤内偏振态，将一个量子比特分发到另一个硅芯片。此外，更多集成了片上源的量子电路实现了芯片间隐形传态，保真度达到 0.88。这种芯片级的光量子比特生产、处理和传输演示为分布式量子信息处理互联网指明了一条大有可为的道路。
此外，在带有精心设计的微环谐振器的 Si3N4 芯片上演示了可见光范围内的纠缠光子对，并进一步分发在 20 千米范围内。在数百微瓦的低泵耗条件下，实现了高光子数纯度和亮度。主要的是，它在可与量子存储器连接的可见光波段光子和在光纤中以低损耗传输为特点的电信波段光子之间供应了一种纠缠联系。
本综述谈论了基于芯片的量子通信依赖集成光量子学的发展所取得的快速进步。光子集成不仅为量子通信系统的微型化和规模化供应了坚实的策略，还促进了量子通信的实际运用，并为未来的量子通信网络和量子互联网铺平了道路。
只管已经取得了长足的进步，但芯片量子通信领域仍处于早期阶段，自然也面临着诸多寻衅。在元件方面，量子通信中利用的片上元件须要比经典光通信中利用的元件更严格的规范，以确保高保真，并防止量子态在制备、操纵、传输和检测过程中发生退相关。因此，探索具有得当特性的元件至关主要。例如，高密钥速率 QKD 哀求调制器能够在高时钟速率下运行，同时保持可接管的消光比，以降落不同量子态之间的串扰。然而，由于载流子注入或载流子耗尽技能会导致非空想损耗特性，因此传统的硅基调制器并不总能知足这一哀求。幸运的是，基于级联 MZI 构造的超高消光（>65 dB）硅调制器以及基于电光泡克耳斯效应的 LN180、Si-LN40 和钛酸钡硅调制器的最新进展为这一问题供应了可能的办理方案。
在系统方面，包含光子源、光子电路和探测器的完备集成量子通信系统尚未实现。实现完备集成的困难在于两个寻衅：
- 第一个寻衅是没有一个单片平台能供应量子通信运用所需的所有功能。稠浊集成可能是办理这一问题的可行方案；不过，该技能仍在开拓中，须要付出更多努力才能实现终极目标。
- 第二个寻衅是集成量子系统的不同部分可能在不同条件下事情。例如，QD 单光子源和单光子探测器常日在低温条件下事情。比较之下，传统的集成调制器和热光学移相器是为室温运用而设计的，在这种极度条件下无法正常事情。因此，在低温条件下操纵光子已成为全集成系统的关键成分。
在安全方面，由于集成光子器件的分外毛病，基于芯片的量子通信面临潜在的漏洞威胁。例如，相位和偏振干系损耗是量子光子芯片的重大问题，如果不加以掌握，可能会导致高估密钥率，从而危害 QKD 系统的安全性。为理解决这些问题，最近有人提出了一种后选择方案，纵然存在严重的相位和偏振干系损耗，也能供应很高的密钥天生率。考虑到偏振干系损耗的诱骗态 BB84 QKD 实验利用了这一方案，并成功地在长达 75 千米的光纤链路上分发了安全密钥比特。此外，基于芯片的 CV-QKD 系统揭示并剖析了自由载流子的等离子体色散效应和发射器的集成电控电路带来的安全漏洞。
由于美国国家安全局（NSA）和英国国家网络安全中央（NCSC）等政府组织对 QKD 的实际运用仍存在疑虑，因此须要进一步开展全面安全剖析研究，以缩小理论模型与实际集成量子通信系统之间的差距。
除了准备和丈量 QKD 之外，基于纠缠的 QKD 是未来基于芯片的 QKD 系统的另一个有出息的运用。自从在 GaAs、Si 和 Si3N4芯片中产生了韶光带纠缠态，并在两个可编程 Si 芯片之间演示了芯片到芯片的纠缠分发和量子隐形传态之后，这种运用已成为可能。
目前，片上量子隐形传态大多基于后向和被动协议。未来的事情可能包括通过将量子通信系统从被动升级为主动来实现前馈掌握，这样吸收器就能实时运用条件单元运算来重构量子态。此外，远间隔纠缠分发和量子隐形传态以及量子网络的大规模实现都依赖于量子存储器和量子中继器。例如，量子节点中的量子存储器可以在远间隔各方之间产生纠缠，从而延长通信间隔。然而，集成量子存储器的实验开拓仍处于起步阶段。要在电信频段实现与基于光纤的长间隔量子通信系统兼容的集成量子中继，还有许多事情要做。
总之，光量子芯片已迅速发展成熟，成为一个多功能平台，在尖端量子通信技能的发展中具有不可估量的代价。考虑到这些令人瞩目的成果，估量光子集成终极将在构建各种量子网络和潜在的环球量子互联网方面发挥关键浸染，重塑未来通信方法的格局。
