引言
量子信息是第二次量子革命背后的核心科学。这是基于量子力学最强大的特性和资源，如量子纠缠、隐形传态和不可克隆定理的新型技术的快速发展。在这种情况下，由于跨国公司参与了开发第一台大型量子计算机的竞争，因此量子计算最近获得了很大的发展。特别是，基于约瑟夫森结的超导芯片正在迅速增加其量子比特的数量，并且很快可能开始使用Shor算法对非平凡整数进行因式分解。Rivest-Shamir-Adleman（RSA）协议和其他公钥密码系统面临的威胁不仅来自量子计算，还来自数论的潜在进步。在这领域中，可以为经典图灵机找到一种有效的因式分解算法。
需要了解的一点是，当前经典密码系统的脆弱性不仅是对当前的潜在威胁，而且是对未来更为严重和现实的威胁。今天，窃听者可能截获他们无法解密的密码。然而，一旦技术上有足够大的量子计算机可用，他们就可以存储这些加密的通信并等待其解密。这意味着消息的机密性可能具有非常有限的生命周期。在Michele Mosca之后，我们可以写出一个简单的不等式。我们称x为安全有效期，它是我们需要经典密码密钥来保证安全的时间长度。然后，我们称y为迁移时间，这是使用量子安全加密来适应当前经典基础设施所需的时间。最后，我们称z为崩塌时间，也就是建造一台大型量子计算机的时间。如果x+y＞z，那我们有理由为此而感到“担心”。
因此，显然有必要采取适当的对策。一种方法称为后量子密码学。这是对分解和其他量子算法具有鲁棒性的新型经典密码系统的发展。当然，这只是一种选择，不能完全解决问题。关键是可能存在尚未发现的量子算法，可能会轻易破坏新密码系统的安全性。换句话说，后量子密码技术可能仅提供该问题的部分和临时解决方案。相比之下，量子密钥分发（QKD）提供了最终的解决方案：通过诉诸坚不可摧的自然原则来恢复安全性和机密性。
尽管QKD为安全问题提供了最终的解决方案，但其在现实中很难实现，并且存在许多有待解决的开放性问题。一方面，完全独立于设备的QKD协议提供了最高级别的量子安全性，但它们的实现要求很高，并且具有极低的密钥速率。另一方面，更实际的QKD协议假设设备具有一定程度的可信性，这一假设允许它们实现合理的速率，但这也会导致危险的侧信道攻击。
除了在安全性和速率之间进行权衡之外，还有一个重要的权衡就是速率和距离。今天，我们知道存在一个基本限制，它限制了QKD的任何点对点的实现。给定具有传输率η的有损链路，双方分配的密钥容量不能超过信道的密钥容量-log2（1-η），也就是说，长距离使用的每个信道秘密比特的比例为1.44η。基于连续变量系统和高斯状态的QKD协议的理想实现可能接近这个容量，而基于离散变量的QKD协议由于附加因素而低于此容量。为了克服这一限制，实现QKD的长距离高速实现，我们需要发展量子中继器和量子网络。通过这种方式，我们可以实现更好的远程扩展，并通过使用更复杂的路由策略来进一步提高速率。量子中继器和安全QKD网络的研究是当今最热门的课题之一。
本文综述了量子密码学领域最重要和最新的进展，包括理论和实验两方面。在简要介绍了QKD协议的一般概念之后，我们将回顾基于离散和连续变量系统的主要QKD协议。我们将考虑标准QKD、设备独立QKD和测量设备独立QKD。我们将讨论主通信信道的各种安全级别，从渐近安全性证明到有限尺寸效应和可组合性方面的分析。我们还将简要回顾量子黑客攻击和侧信道攻击。然后，我们将介绍在探索QKD极限方面的最新进展。特别是，我们将讨论与量子信道最重要模型相关的密钥容量，我们可以通过这些模型实现点对点QKD协议，以及它们在量子中继器和网络中的扩展。最后，我们将讨论QKD以外的主题，包括量子数据锁定、量子随机数生成器和量子数字签名。
1量子密钥分配的基本概念
在我们的回顾中，我们既考虑离散变量系统，如有限维Hilbert空间中的量子比特或其他量子系统，也考虑连续变量系统，如由无限维Hilbert空间描述的电磁场的玻色子模式。关于这两个方面有很多评论和书籍。本文中将重复一些概念，但我们通常假设这些概念为基础知识。在这里，我们提到了适用于两种类型系统的一些常规方面。
一个通用的QKD协议可以分为两个主要部分：量子通信和经典后处理。在量子通信中，发送者（Alice）将随机经典变量α的实例编码为非正交量子态。这些状态通过一个量子信道被发送，窃听者（Eve）试图窃取编码信息。量子力学的线性特性使其无法进行完美的克隆，使得窃听者只能在干扰量子信号的同时获得部分信息。在通信信道的输出端，接收者（Bob）测量输入信号并获得随机经典变量β。在多次使用该信道后，Alice和Bob共享由两个相关变量α和β描述的原始数据。
远程用户使用部分原始数据来估计信道的参数，例如其透射率和噪声。为了评估从剩余数据中提取私有共享密钥的后处理量，此阶段的参数估计非常重要。根据这些信息，实际上执行了一个纠错阶段，允许检测和消除错误，然后是隐私放大阶段，将Eve窃听的信息减少到可以忽略不计的程度。
根据猜测的变量，我们可以进行直接调节或反向调节。在直接调节中，Bob对其结果进行后处理以推断Alice的编码。此过程通常通过从Alice到Bob的转发来辅助。相反，在反向调节中，是Alice对她的编码变量进行后处理，以推断Bob的结果。当然，可以更一般地考虑双向过程，其中密钥的提取由前向和反馈辅助，甚至可以与协议的各种通信回合交织。
有时，QKD协议以基于纠缠的表示形式确定。这意味着，Alice对状态输入集合的准备被纠缠状态AB代替，纠缠状态AB的一部分由Alice测量。A部分的测量具有有条件地准备B部分的状态的作用。
测量的结果与准备好的状态中编码的经典变量是一一对应的。此表示形式对于QKD协议的研究特别有用，因此它们的准备和度量公式被基于纠缠的公式代替，以评估安全性并推导出密钥率。
2实验性DV-QKD协议
原始的BB84协议需要完美的单光子源，一次只能发射一个光子。众所周知，这些光源很难制造，因此它们已被相干状态源所代替，这些状态源被严重衰减到每个脉冲的光子的一小部分。但是，由于每个脉冲具有超过一个光子的可能性，因此这些来源导致了安全隐患，并且已经提出并证明了光子分裂攻击利用了安全证明中的错误假设。
如前所述，已经提出了一种严格的安全分析，其思想是估计后处理中安全信号的比率。对于实际光源，安全性分析中发现的界限并不严格，从而导致系统性能下降。为了解决这个问题，已经提出了几种具有不同编码方案的新颖协议，在以下各节中，我们将详细解释其实现的发展。尽管编码方案不同，但是所有DV QKD系统都具有共同的单光子检测器来检测到达状态。为了实现高密钥率，高计数率和低空载时间是必要的。
2.1探测器技术
在接收器侧，分束器，干涉仪或类似设备对以各种自由度编码的信息进行解码。光学处理后，光子被单个光子检测器检测。
砷化铟镓（InGaAs）光电二极管通过在高于击穿电压的反向电压下工作时在光子吸收处产生强电子，从而检测单个光子。然而，强电流会导致带有缺陷的电子俘获。它们自发释放触发第二个脉冲，即所谓的后脉冲。抑制后脉冲的常用方法是门控。为了进一步抑制此后脉冲并允许超过1 GHz的门控频率，引入了一种自区分技术。APD在-30GHz的温度下工作，其门控频率为1.25GHz，获得100 MHz的计数率，检测效率为10.8％，后脉冲概率约为6％，暗计数率约为3 kHz。
为了实现更高的量子效率，尤其是更低的暗计数率，已经开发了超导纳米线单光子探测器（SNPD）。它们由一根几纳米厚、几百纳米宽、长数百微米的纳米线组成。它们以曲折结构紧凑地图案化，并填充了芯片上的正方形或圆形区域。将纳米线冷却至其超导临界温度下，然后施加恰好低于超导临界电流的偏置电流。入射光子破坏纳米线中的库珀对，从而将超导临界电流降低到偏置电流以下，从而产生可测量的电压脉冲。最近的发展表明，暗计数速率为0.1 Hz时，在0.8 K的温度下具有26 ps的低抖动和80％的量子效率。SNSPD已集成到光子电路中。
2.2诱饵状态BB84
诱饵状态QKD极大地增加了衰减相干激光脉冲源的安全性和距离，并且与单光子源相比更加实用。第一个实现是在2006年以一个诱饵状态通过修改商用双向idQuantique系统执行的。在具有相位编码的双向协议中，Bob将明亮的激光脉冲发送给Alice，后者将其衰减到单光子能级并施加相移后，将其返回Bob进行测量。在将脉冲发送回Bob之前，通过插入Alice电台的声光调制器将脉冲强度随机调制为信号状态或诱饵状态。不久之后，同一小组实施了带有额外真空状态的两个诱饵状态协议，以检测背景和暗计数检测概率。
2007年，三个小组同时报告了在单向QKD系统中演示两诱饵状态BB84的情况。在参考文献中，第一组采用相位编码技术，在实验室中利用光纤绕线轴实现了107km的安全密钥生成，在参数估计中加入了有限统计，密钥速率达到了12bit/s。用调幅器对重复频率为2.5MHz的DFB半导体激光器产生的诱饵态脉冲进行调幅。为了检测，使用了单光子敏感的超导过渡边缘检测器。
第二组在加那利群岛La Palma和Tenerife之间的144 km自由空间链路上演示了两个诱饵状态QKD，衰减为35 dB。极化状态由BB84编码。发射器中使用了四个850nm激光二极管，与相邻的二极管成45°角。其中一个以10MHz的时钟速率发射了2 ns的脉冲。高强度的诱饵状态是由两个同时发射脉冲的激光二极管随机产生的，而在真空状态下则没有脉冲产生。接收器使用偏振分束器和四个光电探测器进行偏振分析。实现了12.8bit/s的安全密钥率。
第三组使用偏振编码并演示了在102 km的光纤上生成密钥的过程。发射器由10个激光二极管组成，每个二极管在1550 nm的中心波长处产生1 ns的脉冲，重复频率为2.5MHz。利用四个半导体激光器分别产生信号和高强度诱饵态，利用偏振控制器将半导体激光器的输出偏振态转换为四个BB84态之一的偏振态。使用两个附加的激光二极管来校准以时分复用方式执行的两组偏振基础。使用多个分束器和偏振分束器的网络将10个激光二极管的输出路由到单根光纤。附加的密集波分复用滤波器可确保发出的光子的波长相等。接收器由两个单光子探测器和一个随机选择一个偏振基准的开关组成。
利用InGaAs光子检测（APD）的先进技术在2008年证明了以GHz为时钟的诱饵态QKD在自差分模式下运行。自差分电路可以检测到较小的电荷，从而减少了脉冲发生的可能性，并且减少了停滞时间。在1.036GHz时钟频率下演示的QKD系统基于实现BB84协议的相位编码系统，并使用由强度调制器产生的两个诱饵状态。使用色散位移单模光纤是因为对于65 km以上的通道，必须在标准SMF28单模光纤中补偿色散。
在标准BB84协议中，Bob有50％的时间错误地进行了度量。此外，在诱饵状态BB84中，比其他状态更频繁地发送具有更高强度的状态是有利的。为了提高可用的信号生成率，引入了一种具有不对称基选择和高度不平衡强度的有效版本，并报告了一种实现方法。证明了该协议对集体攻击的可组合安全性，并用数值优化技术改进了参数估计。基于相位编码的GHz系统实现了1.09mbit/s的安全密钥速率，而标准协议在50km光纤长度上的安全密钥速率为0.63mbit/s。其实验实现如图1a所示。
图1离散变量QKD的典型实验实现
针对一致攻击的可组合安全性是最近才实现的。参考文献中描述了一个实验，该实验使用改进的双向商业即插即用QKD系统进行了演示，其中还包括了不完善的状态生成。通过单向相位编码系统进一步证明了针对相干攻击的安全性。使用后一种系统，作者在超低损耗光纤（0.18 dB/km）中实现了240 km的距离。使用检测效率为10％的APD，热电冷却器在-60°C时达到了10个计数/秒的暗计数速率。
现行的421 km超低损耗光纤（0.17 dB/km）的距离记录是通过简化的BB84方案以一个诱饵状态实现的。距离记录是通过优化各个组件并简化协议来实现的。该系统的时钟频率为2.5 GHz，并使用了暗计数率低于0.3 Hz的高效超导检测器。该协议基于使用时区编码的三种状态的方案。以Z为基础生成了两个状态，分别在第一时间仓和第二时间仓产生一个弱相干脉冲。第三个状态，即以X为基础的状态，是两个时间仓中两个脉冲的叠加。Z基本状态用于估计向窃听者泄漏的信息，但X基本状态用于生成原始密钥。实验设置如图1b所示。
2.3差分相移QKD
差分相移QKD将信息编码为两个连续脉冲的差分相移。2004年，第一个采用这种编码技术的QKD系统在20 km光纤上被报道。来自外腔激光器的连续波激光二极管在1GHz处进行强度调制，以雕刻125 ps长的脉冲。之后，使用相位调制器将每个脉冲的相位随机调制为0或π。衰减器将光束衰减至每个脉冲0.1个光子。在接收机侧，使用不平衡的Mach-Zehnder干涉仪测量两个连续脉冲之间的差分相位。非平衡Mach-Zehnder干涉仪的两个输出由门控单光子探测器探测到。Mach-Zehnder干涉仪就像波导一样，臂长差可以通过热量控制。
在另一个实验中，使用70ps长的2GHz脉冲串，在10km以上实现了Mbit/s范围内的安全比特率。在非平衡Mach-Zehnder干涉仪后的接收器处，光子以非线性过程进行转换，并由硅光电二极管检测到，该光电二极管能够以低时序抖动实现10MHz的计数率。
使用2GHz正弦门控光电二极管可在100 km内实现24 kbit/s的高速率。采用基于分束器和两个法拉第反射镜以及超导探测器的不等臂迈克尔逊干涉仪，在标准电信光纤中的最大传输距离可以提高到260km。其实验实现如图1c所示。DPS-QKD协议已在东京QKD网络上进行了测试。
2.4单向相干
2005年报道了COW协议的第一个原理实施证明。对1550 nm连续波激光束进行了强度调制，以产生量子或诱饵状态，并使用可变衰减器将光束衰减至单光子水平。通过两个连续的脉冲将位编码为到达时间：一个真空状态接着一个相干态代表比特0，一个相干态接着一个真空态代表比特1。诱饵状态由两个相干状态表示。在接收器一侧，光束被抽头耦合器分开。当通过单个光子检测器检测到高透射率的输出时，将抽头注入具有不对称臂的干涉仪中，该臂干扰了两个脉冲。干涉仪的一个输出由单个光子检测器测量，测量结果用于计算可见度以检查信道干扰。
在625MHz的高时钟速度下，建立了一个全自动系统，并在已部署的150多千米电信光纤中进行了演示。采用连续波分布式光纤电信激光二极管、10GHz铌酸锂强度调制器和帕尔贴冷却InGaAs光电二极管实现了短距离的高时钟速度。同步是通过第二根光纤将同步信道和经典信道的波分复用来实现的。采用超低损耗光纤和低噪声超导探测器，传输距离达到了250千米。虽然之前的实现都使用渐进式安全证明，但在2014年描述的实现中，考虑了有限尺寸效应，在25km光纤上，使用门控InGaAs探测器和FPGAs中的关键蒸馏技术，达到了21kbit/s。在这里，仅使用一根单独的光纤对量子波和所有经典信道使用密集波分复用来测试COW QKD系统。
据报告，2015年实施相干单向协议的系统的传输距离达到307千米。新型自由运行的InGaAs/InP负反馈检测器在153K下运行，具有低背景噪声和低光纤损耗，以及一个新的可组合有限密钥大小的安全性分析使结果得以实现。实验实现如图1d所示。
2.5 DV MDI-QKD
DV MDI-QKD于2013年由三个小组首次进行实验演示。第一组在卡尔加里的三个位置之间实施了MDI-QKD，Alice与不受信任的中继Charlie之间的距离约为12千米，Bob与Charlie之间的距离约为6千米。Alice和Bob的发射器使用1552 nm的衰减脉冲激光以及强度和相位调制器，以2 MHz的速率生成了时域量子比特。通过在三个强度级别（真空度、诱饵状态级别和信号状态级别）之间进行选择，实现了诱饵状态协议。两个发送器都通过位于Charlie的主时钟进行同步，该主时钟通过另一条部署的光纤以光学方式发送到各个站。Charlie收到光子后，通过在平衡的分束器处叠加脉冲并使用门控In-GaAs单光子探测器以10μs的空载时间检测输出，进行了贝尔状态测量。
第二组在实验室里实现了50千米以上的协议。他们实现了与卡尔加里实验相似的量子位时域编码方案，但是使用了四个诱饵强度级别，每个脉冲平均具有0、0.1、0.2和0.5个光子。脉冲激光通过不平衡的Mach-Zehnder干涉仪馈入，以产生两个时区脉冲。出于稳定性原因，使用位于恒温容器中的三个幅度和一个相位调制器来实现对量子位和诱饵的编码。经过25 km的光纤传输后，不受信任的中继器Charlie进行了与上述相同的贝尔状态测量。所采用的光电探测器使用了上转换技术，其中周期性极化的非线性过程将1550nm光子转换为862nm，暗计数率为1kHz。
第三组实现了基于偏振量子位的原理验证演示，并演示了两个受信任方和中继之间超过8.5km长的光纤链路的QKD。采用连续波激光脉冲，用振幅调制器雕刻激光脉冲。采用可变光衰减器选择诱饵状态电平，并用自动偏振控制器进行偏振编码。继电器由一个平衡分束器和两个偏振分束器组成。四个门控InGaAs单光子探测器的暗计数概率为15 ppm，空载时间为10μs。
然后，使用衰减为0.16 dB/km的超低损耗光纤将MDI-QKD的距离增加到200 km和404 km。为了实现如此长的通信长度，对MDI-QKD协议进行了优化，以改善统计波动对关键安全参数估计的影响。该方案由四个诱饵状态组成，
在X基上有三个级别，在Z基上只有一个级别。对每个密钥的概率进行了优化，以获取最大的密钥率。使用五个强度调制器和一个相位调制器来实现这些功能。接收器的实现方式与上述前两个实验相同。超导单光子探测器提高了量子效率和暗计数率。此外，为了达到404千米的传输距离，记录了3个月内时钟速率为75 MHz的成功传输。达到的密钥速率为每秒3.2×图片位。此外，在零传输距离下，通过引入脉冲激光种子技术，在1Ghz重复频率下实现了不可分辨的激光脉冲，密钥速率达到了1.6Mbit/s。这种新技术将主激光脉冲作为种子注入从激光器中，在规定的时间内触发受激发射，产生了非常低的定时抖动，接近于变换有限的脉冲。
为了证明量子网络上的MDI-QKD在100千米以上的星型拓扑结构中的应用，使用了具有成本效益的可商购硬件来构建基于时空编码的强大MDI-QKD系统。在其他小组中，也已经实现了类似的即插即用系统，该系统具有时间轴或极化编码，并且具有不同级别的抗环境干扰能力。
2.6高维QKD
大多数离散变量（DV）QKD方案将量子态编码为量子位。回溯到21世纪初，人们对发展DV-QKD方案产生了相当大的兴趣，这种方案将光子编码成d＞2的高维基态。这种方案提供了在每个光子中编码多个比特信息的能力。这种方案并非没有缺点，每一模式的信息密度降低为（log2d）/d。尽管如此，高维QKD（HD QKD）可以比其同类产品提供更明显的优势。
当此速率受发送器和接收器之间的带宽不匹配限制时，HD QKD可以提高有效密钥生成速率。当发射器被限制在低于可用接收器带宽的通量或单光子检测器被接收到的高光子通量饱和时，就会发生这种失配。尽管前者通常不会出现在衰减激光源上，但后者通常是由于检测器空载时间产生的。在超导纳米线单光子检测器（SNSPD）中，空载时间由恢复其超电流所需的时间决定，在此期间，纳米线对任何光子都不敏感。
图2传统量子比特DV-QKD协议的密钥生成率与信道距离的代表性曲线图
图2所示为当前可实现的基于qubit的DV QKD密钥速率与距离的代表性曲线图。显然存在两种不同的机制：第一种机制表示正常操作，其中密钥速率与光纤中的透射率成比例，而光纤的透射率随距离呈指数衰减。在更远的距离处，进入第二种机制，在这里接收到的光子速率与探测器的背景速率相当，掩盖了密钥生成方之间的任何相关性，并突然降低了密钥的速率。
然而，在短距离、低光子损耗的情况下，由于探测器的空载时间，密钥速率受到限制。在该机制下，QKD密钥速率最高，目前达到13.72Mb/s。为了进一步提高密钥速率，可以增加更多的检测器来分配初始强度。另一种策略是增加字母表的维数，以降低光子传输速率，直到探测器刚好低于饱和。到目前为止，已经研究了高维QKD的多个自由度，包括位置动量、时间谱和轨道角动量（OAM）。
Cerf等人进行了初步的安全分析。对于离散的大字母表，QKD表现出更好的抗噪声和抗丢失能力。具有离散量子态的HD QKD能够容忍错误率超过基于qubit协议的11％限制。然而，该方案及其两个早期方案（一个使用OAM，另一个使用时间谱编码）很难被证明。有效地实现这两个自由度的方案需要单光子探测器。因此，开发HD-QKD方案的强烈愿望是能够仅使用少量单光子探测器测量高阶关联。
从连续变量（CV）QKD中借鉴技术并将其应用于时间光谱模式的一种探测器有效的时间方案证明了QKD操作具有极大的字母表，即每个光子超过10位。但是，当时没有针对集体或一致攻击的安全证据。时间和能量状态并非固有地离散，离散维基上的安全证明不能直接转移到这些连续基格式上。通过测量Alice和Bob的信息之间的协方差矩阵可以保证时间谱HD-QKD的安全性。
测量协方差矩阵涉及频率基的检测。对入射光的直接光谱检测可以使用单光子限制光谱仪。然而，所需数量的探测器将再次阻止达到较大维度。为了克服这些局限性，人们引入了新的技术，通过使用群速度色散、Franson干涉仪或一系列时变相移将光谱信息转换为时间信息。
时间谱编码的HD-QKD的发展，激发了探测光子的秘钥容量和密钥生成速率。此外，在两个不同城市之间进行的43千米的现场演示表明，最大密钥生成速率为1.2 Mbps。由于HD-QKD依赖于单光子的传输，因此它很容易受到光子数分裂攻击，因此这些演示使用了诱饵状态技术来弥补这个安全漏洞。最近，时间谱HD-QKD的安全性被扩展到包括可组合安全框架，该框架只考虑通过有限数量的测量估计参数时的统计波动。
基于OAM的高维QKD系统由于与自由空间QKD系统直接兼容而得到了迅速的发展。高维OAM-QKD在实现高密钥生成速率方面面临的主要挑战是编码和解码设备的切换速度相对较低。到目前为止，涉及SLM、DMD和q板的QKD演示需要大约1ms的时间来重新配置kHz范围内的QKD时钟速率。虽然q板可以通过电光调谐在GHz频率下运行，但这些还没有得到证实。一个吸引人的新方向是使用光子集成电路（PICs），它可以大大减少配置时间。热光调谐片上环形谐振器的开关时间为20μs。最近，使用16×16光学相位阵列实现了OAM模式的精确控制，该阵列允许产生高保真度的OAM状态。此外，大规模的单芯片MEMS驱动电路的开关时间为2.5μs，具有在OAM产生和控制方面的应用潜力。
HD-QKD使用一组共轭光子自由度（如时间—能量或OAM）来提高密钥生成率已经取得了成功。研究新的技术，包括小型化光子集成电路平台，同时操纵和检测多个自由度，可以大大增加维数，从而进一步提高密钥生成速率。此外，对自由度的选择和相互无偏基的选择进行更详细的研究，可以揭示出在不同的QKD设置下，哪种编码方式最可靠。由于高维QKD系统能够以与数据通信速率相当的速率生成密钥，因此有必要进一步研究与测量设备无关的配置中的HD-QKD。
2.7光子集成电路
QKD设备比标准现成的电信设备有更高的要求。QKD发射机需要单光子源或弱相干源以极高的消光比进行调制，以实现低误差的QKD工作。此外，在接收器侧也需要量子限制检测器，例如单光子检测器或散粒噪声限制的零差检测器。光子集成电路（PICs）为将多个高速量子光子操作集成到一个紧凑的单片电路中提供了一个紧凑而稳定的平台。PICs允许实验人员以光刻精度在不同的材料平台上设计量子器件，以满足QKD器件的严格要求。通过PICs可以实现的复杂程度已经被证明能够实现更高的密钥速率的波长复用、灵活性的多协议操作以及针对信道中的定时和偏振漂移的额外监视和补偿功能。已开发出各种材料平台来构建高性能QKD器件。
有源III–V激光材料，例如磷化铟（InP），是QKD发射器的一个有前途的平台，因为可以使用增益激光介质来产生弱相干光。InP平台还具有使用晶格匹配InP的其他三元和四元III-V半导体（例如InGaAs、InGaAsP或InAlAsP）建立量子阱结构的优势。在这些量子阱中，载流子（电子和空穴）被限制在所得的一维势阱中。向阱施加电场会改变载流子的能量，进而改变其吸收光谱和折射率的偏移。该过程称为量子限制斯塔克效应（QCSE），是平台中可用的最强电光调制。已证明使用QCSE进行强度和相位调制可在带宽≥40 GHz时实现超过50dB的高消光比。
SiO2-Si3N4 TriPleX技术记录了约图片dB/cm的低损耗无源元件，这使其成为高速千兆赫兹时钟QKD操作中基于时间或基于相位的QKD接收器组件的有吸引力的平台。弱相干脉冲间隔约1 ns。低传播损耗与高干扰可见性和稳定性的结合，可使Bob保持低误码率QKD操作，而无需基于光纤或批量光学干涉仪通常需要的复杂稳定电路。但是，TriPleX平台仅依赖于热光相位调制，这对于高速QKD操作而言很慢。
硅光子技术最近已经成为量子通信的领先平台，并有望与现有的互补金属氧化物半导（CMOS）工艺实现高密度集成，从而实现光子和电子组件的单片集成。在没有自然的电光非线性的情况下，硅光子依靠缓慢的热光相位调制来实现高可见度的干扰。在p掺杂和n掺杂硅之间的本征区域内的载流子注入和耗尽提供了硅光子内部的高速调制，但是必须减轻与相位有关的损耗。近年来，基于MEMS的移相器在进一步小型化、降低功耗、实现千兆赫兹带宽的移相方面显示出了巨大的前景。
虽然硅光子平台内的完全集成光源的开发仍在进行中，但该平台已被证明能够高度适应上述活性III–V材料的异质键合。此外，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）已被集成到硅光子平台中，这为可能的具有单光子计数能力的单片紧凑型QKD接收器铺平了道路。量子有限零差探测器也被证明在散粒噪声和电子噪声之间有足够大的噪声间隙，这对于CV-QKD应用而言是有效的。
最近的PIC QKD演示使用InP发送器来实现其功能，并使用TriPleX来实现其低损耗性能。该实验展示了PIC的灵活性，其灵活性能够使用同一芯片组以1 GHz的时钟速率演示多种时区编码协议。最近，硅光子中具有更小型化组件的时分和极化QKD发射机的最新演示暗示了与基于LiNbO3的调制器相比，现成的光纤组件可能具有更高的性能优势。最近证明了硅光子平台在43km城际光纤链路上使用偏振编码进行QKD操作的可能性，该链路通常被认为由于光纤偏振漂移而过于不稳定。该实验证明了密钥生成速率与时间间隔相当，但具有偏振稳定功能，见图3。
图3基于PICs的QKD实验演示
PIC平台还提供了产生光量子源的新方法：单光子和纠缠光子源。虽然弱相干光当前是QKD操作最流行的方法，但其泊松统计数据却产生了侧信道漏洞，必须通过诱饵状态方法将其关闭。具有真正单光子或纠缠光子的QKD可以避免此问题，而无须使用消耗随机位的诱饵状态协议。在InP平台中，可以从外延生长的量子点生成单光子，以在标准电信1550 nm窗口中发光。在硅光子学中，基于自发四波混频（SFWM）的单芯片纠缠对源已经被证明不需要任何片外滤波。
这些新颖的量子源中仍然存在的一项重要挑战是增加亮度，以使其足以用于千兆赫兹时钟的QKD操作。目前，即使在接近统一的收集效率下，这些量子源的输出通量也被限制在约10MHz。这些量子源通常使用相干激光泵浦。增加量子点源的泵浦功率会诱发多光子发射，从而降低单光子纯度。然而，激发的替代方案已显示出将多光子发射几率降低几个数量级的巨大希望。已证明增加纠缠的SFWM光源的泵浦功率会引起双光子吸收，从而使光源亮度饱和。
集成光子平台有望为构建QKD网络带来重大好处。设备的小型化以及高度可靠的制造工艺可以加快QKD在实际数据加密中的采用速度，尤其是在MDI配置中。在这种情况下，只有几个中央接收器节点需要具有超低温高效的SNSPD，而所有客户端都可以利用个人PIC在彼此之间生成密钥。该平台提供的光刻精度也有望为MDI QKD提供相同的集成光源。
总之，PIC为设计新器件提供了新的机会，这些器件可以满足低错误QKD操作的需求。通过多个平台的异构集成对新设备物理特性进行研究，可以开发出性能更高的新型量子源和接收器。此外，PIC的相稳定平台还适合于高密度复用的QKD操作，这可以显著提高密钥生成速率。（此报告内容由编辑部翻译整理）
