科學家實現城際量子密鑰分發

“我們不僅首次完成了將量子點作為光源的城市間量子密鑰分發測試，從而驗證了量子點在量子通信網絡中的應用潛力，所實現的安全密鑰率也超過目前所有基于通信波段單光子光源完成的密鑰分發實驗?！?/span>

在利用通信波段單光子進行量子密鑰分發上，本次成果也確立了新的技術標準。

這標志著通信波段量子點的研究保持著穩步前進的發展，證明了量子點光源在集成到城域規模的光纖網絡中的可行性。

             （來源：Light sci. appl.（2024）DOI: 10.1038/s41377-024-01488-0）

正如人類心臟通過跳動實現全身血液輸送一樣，楊靖忠和所在團隊也期待量子點能夠成為量子通信網絡應用的核心之一，為其提供源源不斷的光量子，從而作為驅動其運行的動力。

未來幾年，假如高性能量子點產能逐漸能夠滿足產業化需求，那么本次基于通信波段量子點的量子密鑰分發系統也會逐漸進入產業化。

人們可以打造基于量子點的量子終端，進而將其作為分布式量子網絡中的節點。

預計將來這些分布在不同位置的節點，既可以互相通過光纖或衛星信道完成信號傳輸，也可以與當地設備進行交互，例如與手機還有量子計算機進行交互。

同時，通過打造性能更高的量子點，以及優化相關器件的制備工藝，也將推進量子中繼器的開發，從而在完成更長距離通信例如跨大洲的全球通信中，克服信號受到的損耗干擾問題。

將量子點用于量子網絡，難在哪里？

事實上，本次成果和多數人每天都在使用的互聯網息息相關。

當前，網絡技術在給人類帶給生活便利的同時，日益嚴重的網絡攻擊、以及未來量子計算機的出現，都會給信息安全提出挑戰。

在眾多與信息安全相關的技術中，量子網絡技術被普遍認為是信息通信安全的最終方案。

在推進量子信息技術的發展中，例如推進大尺度分布式量子網絡的構建時，光可以作為一種很好的信息載體媒介。

這是因為組成光的光子本身不僅能夠以光速進行傳播，同時對外界去相干的環境也具備很強的抗干擾能力。

要想構建量子網絡，一般需要攜帶信息的光子通過部署地面的光纖網絡、或通過以衛星構建的自由空間，來達成城市之間、國家之間、甚至是大洲之間的用戶通信。

其中，能否發射單光子來作為信息載體的量子光源，承擔著重要作用。

當前，用于量子網絡測試的主流光源，依靠的是弱化相干激光、或基于晶體非線性效應的自發參量下轉換光源，這些光源本身存在光源效率受限的問題。

過去十多年里，楊靖忠博士所在的德國萊布尼茨漢諾威大學丁飛教授課題組，一直致力于探索將半導體量子點作為量子光源。

所謂量子點，可以將其理解為體積極小的、類似原子的半導體納米結構。2023 年，有學者憑借合成量子點的成果獲得了諾貝爾化學獎。

在量子信息技術的應用發展上，量子點起著重要作用。不同于傳統的自發參量下轉換的光源，量子點在物理上不會受到發光效率的限制。

這是因為理論上，在每次受到激發之后，量子點都會根據所選擇的激發方式，按需發射一個全同的單光子或發射一組自身單光子全同的糾纏光子對。

對于打造量子網絡中“量子中繼器”、以及打造“測量設備無關的量子密鑰分發”等技術，量子點的上述特點發揮著關鍵作用。

然而，要想研發具備高亮度、高單光子純度、且發光波長在通信波段的量子點，需要極為苛刻的納米設備條件、復雜的制備流程，同時也非?？简炑邪l者的納米技術經驗。

長期以來，受限于量子點的發光性能，領域內很少有人真正將量子點用于量子網絡之中。

        （來源：Light sci. appl.（2024）Fig.1a. DOI: 10.1038/s41377-024-01488-0）

實現領域內多年來的共同期盼

為了推進驗證量子點在量子網絡應用的可行性，楊靖忠的博士導師丁飛教授提出了本次課題，并與德國聯邦物理技術研究院斯特凡·庫克（Stefan Kück）教授團隊、以及德國斯圖加特大學皮特·米歇爾（Peter Michler）團隊聯合開展。

與此同時，三支團隊都是德國聯邦教育與研究部 QR.X 項目的參與方，該項目旨在開發能被用于安全量子通信的量子中繼器。所以，他們此前已經擁有深厚的合作基礎。

研究中，丁飛課題組采用了由 Peter Michler 團隊開發的一種基于通信波段量子點的微納器件。

該器件整體上一種圓形的布拉格光柵結構，形狀上類似于牛眼環，整體尺寸大約為 10 微米。這種結構是通過納米光刻技術在幾十納米的量子點周邊刻蝕形成。

器件則能利用光學的衍射效應，來實現對量子點發射單光子的高效率提取。

      （來源：Light sci. appl.（2024）Fig.1b. DOI: 10.1038/s41377-024-01488-0）

在本次研究的量子密鑰分發實驗中，丁飛團隊在位于德國漢諾威市的實驗室中，針對量子點器件所發射單光子的偏振態進行逐一編碼。

然后，通過長達 79 公里的城市地下光纖，傳送到 Stefan Kück 實驗室實現密鑰解碼，雙方通過測量基對比的過程完成安全密鑰的共享，進而可以使用量子安全密鑰實現了對于經典信息的加密。

實驗中，Peter Michler 課題組主要負責開發高亮度的通信波段量子點器件。

完成開發之后，量子點器件會被運送到丁飛課題組位于德國漢諾威大學的實驗室，裝配到基于氣氦循環的低溫冷卻系統之中。

結合提前搭建的量子密鑰加密發送端，將單光子密鑰經過長達 79 公里的光纖，發送到 Stefan Kück 課題組的實驗室接收端進行解密。

      （來源：Light sci. appl.（2024）Fig.3d, DOI: 10.1038/s41377-024-01488-0）

各方不僅要嚴格高效地完成自己的工作，彼此之間也需要確保積極有效的通力合作。

作為丁飛團隊的一員，楊靖忠回憶稱：“通信波段量子點器件樣品的運送，是由 Peter Michler 課題組的一名博士生坐火車攜帶到漢諾威的?！?/span>

樣品到達漢諾威的實驗室之前，一直保存在他們自制的真空儲藏腔之內，以便隔絕外界環境可能會對樣品造成的污染。

從此前在 Peter Michler 實驗室對于樣品發光性能的表征結果來看，其所表現的亮度與單光子純度，在當時是世界最高水平。

而當楊靖忠與同事把樣品從真空環境取出時，他們發現樣品從固定處脫落在腔內。后來，他重新在顯微鏡下查看樣品情況，盡管形貌顯示沒有問題，但他還是非常擔心樣品性能是否因此受到折損。

再后來，直到他們在表征系統上探測到了和 Peter Michler 實驗室一樣的結果，懸著的心這才終于放下。

而當看到由量子點所發射的單光子信號，在經過 79 公里光纖到達 Stefan Kück 課題組之后的初步實驗結果的時刻，也讓楊靖忠等人非常難忘。

他說：“實驗結果顯示：在經過長距離光纖之后，光子信號依舊保持著極高的單光子純度。此前，我們的量子點表征研究都是在實驗室內進行，一直憧憬著有一天能把它用到實地的量子通信測試。”

他繼續說道：“我至今記得：當丁飛老師代表我們在 QR.X 項目定期交流會上展示結果圖時，立時收獲了在場聽眾的熱烈掌聲，所以我們也算是實現了領域內一直以來的共同期盼?！?/span>

最終，相關論文以《利用半導體單光子源實現高速城際量子密鑰分發》（High-rate intercity quantum key distribution with a semiconductor single-photon source）為題發在 Light: Science & Applications[1]。

楊靖忠博士是第一作者，丁飛教授擔任通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Light: Science & Applications）

當然，要想實現基于量子點的量子密鑰分發工作的產業化，就需要在高性能量子點的大批量生長上進行優化。

他們還將繼續推進量子點、及其相關器件的發展。未來也將嘗試在實地量子網絡平臺上驗證基于量子點的量子中繼器的可行性。

此外，他們也希望逐步探索量子點在其他量子領域的應用，例如探索其在量子計量、量子傳感、光量子計算等領域的應用。