利用单光子探测器阵列技术和空间复用技术的量子光接收机时分技术

QKD 链路的信道容量，根据可实现的密钥速率，可以通过多种技术来增加，其中一些技术与传统通信技术并无太大不同，例如；改进单光子检测器技术以实现更高的带宽 ，实施不受信任的中继架构量子比特协议 （尽管这在自由空间中具有挑战性）。尽管如此，HD QKD 也受到 PLOB 约束的限制。因此，HD QKD 的主要优势在于低损耗场景，其中更高的比特密度转化为饱和检测器的更长密钥。空间复用是另一种解决方案，它提供了一种线性缩放方式来增加信道容量。然而，在以前的文献中，每个光通道都使用单独的发射器和接收器望远镜，这使得所提出的系统庞大、昂贵且笨重。新的独立 2D 像素读出单光子雪崩二极管 (SPAD) 检测器阵列技术，允许更小和更便宜的光学系统来执行空间复用 QKD。该技术可用于具有发射器阵列的自由空间信道，例如，2×2 望远镜阵列可以发送四束光束，这些光束将在接收器处收集并聚焦到单个检测器上。在基于光纤的应用中，可以使用多芯光纤将光束成像到 SPAD 阵列中。这些 2D SPAD 检测器阵列已经证明了它们结合单光子水平信号检测和跟踪空间位置的可行性 。

在这项工作中，作者展示了一种组合空间复用和时分技术，利用 115×125×78 mm 框架中具有 1.6×1.6 mm 有效区域的 2D SPAD 阵列来增加自由空间 QKD 系统的信道容量。我们利用多芯光纤模拟四个独立的单光子级（伪编码 QKD）通道来创建紧凑的空间模式。然后将四种空间模式成像到 32×32 像素 SPAD 阵列上，在其中捕获编码的单光子水平信号。通过调整 2D SPAD 阵列上的焦点来模拟光束大小的湍流效应，从而在空间模式之间产生串扰。通过将时分技术应用于四个通道，以 250 MHz 的重复率运行，QKD 协议串扰引起的量子误码率 (QBER) 可以从 36% 降低到 0%。作者的方法探索了自由空间场景中的功能，然而，该技术也可以用于基于光纤的场景 。

为了了解大气湍流如何影响空间模式之间的串扰，重点研究了波束在这些信道上传播后所遇到的多模退化，波束漂移等其他影响对每个波束都有相同的影响。为了设定性能的上限，实验室中的光纤系统在每个空间模式聚焦于唯一像素的理想条件下进行了模拟。然后人为增加光束的M2值，从而增加阵列处的光束半径，如图1(a)所示。在M2<10时，光串扰不足以引起信号退化。然而，超过该值，光串扰确实会引入误差(图1(b))。当这种情况发生时，来自一个空间模式的光泄漏到另一个空间模式，为该QKD信道产生额外的噪声，导致由于QKD协议的串扰(QBERcrosstalk)而产生额外的量子比特误码率(QBER)。

为了创建自由空间信道的空间复用模式，发射机中的四个独立信道通过光子扇出传输到2×2空间阵列中的多核光纤中。多芯裸光纤的方芯间距为125 μ m。多芯光纤是为1550nm定制的组件，芯直径为10um，这使得852 nm的光具有轻微的多模态，其他多芯光纤可以用于更高数量的模式，只要所有模式都可以聚焦到阵列中。使用焦距f = 25mm的1英寸非球面透镜对光纤进行准直。

在接收机上，为了简化演示，只使用单个二维SPAD阵列来检测空间阵列信号。在真正的QKD演示中，在量子解码器之后将使用多个检测器。来自自由空间通道的空间阵列使用焦距为f = 50 mm的1英寸非球面透镜聚焦，系统的放大倍率为0.5。这样做是为了尽量减少每个空间通道照明的像素数量，并减少光学噪声和光学串扰。为了模拟大气湍流对光束传播的影响，研究空间串扰的影响，将接收聚焦透镜偏移0.5 mm，使图像在二维SPAD阵列上离焦。这种基本方法确实有局限性;空间离焦也减小了模的空间分离。然而，时间分割技术的影响是可以证明的。

每个通道测量的平均基线QBER分别为1%、0.8%、0.5%和1.3%，见图3(b)。QBER由像素的固有暗计数率决定。与所有2D SPAD阵列技术一样，在整个设备上存在黑暗计数率的分布，在空间复用中，避免了热像素。然后将基线场景与所有通道同时照明而光学系统散焦的场景进行比较，在二维SPAD阵列的像面上产生清晰的光学串扰。如果所有通道同时脉冲，即独立空间模式之间没有时间延迟，由于770 ps的时间门控值的空间重叠和串扰，测量到的QBER高达36%(图4)。尽管如此，它们代表了最坏的情况，并且仍然有效地证明了时分技术和整体2D SPAD阵列的操作。