科学家利用确定性单光子源实现首次城际量子密钥分发

传统的加密方法依赖于复杂的数学算法和当前计算能力的限制。然而，随着量子计算机的兴起，这些方法变得越来越脆弱，因此需要量子密钥分发(QKD)。

QKD 是一种利用量子物理独特性质来确保数据传输安全的技术。多年来，这种方法不断优化，但由于现有量子光源的限制，建立大型网络一直具有挑战性。

在《光：科学与应用》杂志发表的一篇新文章中，德国的一个科学家团队利用确定性单光子源实现了首次城际 QKD 实验，彻底改变了我们保护机密信息免受网络威胁的方式。

该团队由汉诺威莱布尼茨大学(LUH)丁飞教授、德国联邦物理技术大学(PTB)Stefan Kück教授、斯图加特大学Peter Michler教授等领导。

半导体量子点(QDs)被称为量子世界的人造原子，在量子信息技术中用于照亮量子光方面具有巨大潜力。这一突破揭示了半导体单光子源在现实生活中实现安全长距离量子互联网的可行性。

丁飞教授解释道：“我们研究的是量子点，这是一种类似于原子的微小结构，但可以根据我们的需要进行定制。这是我们首次在两个不同城市之间的量子通信实验中使用这些‘人造原子’。这个被称为‘下萨克森量子链路’的装置通过光纤连接了汉诺威和不伦瑞克。”

城际实验在德国联邦下萨克森州进行，其中部署的光纤长度约 79 公里，连接汉诺威莱布尼茨大学 (LUH) 和不伦瑞克联邦理工学院 (PTB)。

位于 LUH 的 Alice 静态准备偏振加密的单光子。位于 PTB 的 Bob 包含一个被动偏振解码器，用于解密通过光纤量子信道接收到的单光子的偏振状态。这也是德国下萨克森州的第一条量子通信链路。

最终，研究人员实现了密钥的稳定、快速传输。

他们首先验证了在实验室中，在 144 公里的距离内(相当于 28.11 dB 的损耗)可以实现正密钥速率 (SKR)。基于此部署的光纤链路，可以确保 35 小时的高速率密钥传输和低量子比特误码率 (QBER)。

“与现有的涉及 SPS 的 QKD 系统进行比较分析表明，这项工作中实现的 SKR 超越了所有当前基于 SPS 的实现。即使没有进一步优化源和设置性能，它也接近基于弱相干脉冲的现有诱饵态 QKD 协议所达到的水平，”该研究的第一作者杨敬忠博士评论道。

研究人员推测，量子点还为实现其他量子互联网应用提供了巨大的前景，例如量子中继器、分布式量子传感，因为它们允许固有存储量子信息并可以发射光子簇状态。这项工作的成果强调了将半导体单光子源无缝集成到现实的、大规模和高容量量子通信网络中的可行性。

对安全通信的需求与人类本身一样古老。量子通信利用光的量子特性来确保信息不会被拦截。“量子点设备发射单个光子，我们控制这些光子并将其发送到布伦瑞克进行测量。这个过程是量子密钥分发的基础，”丁说。

“几年前，我们只是梦想着在现实世界的量子通信场景中使用量子点。今天，我们很高兴能够展示它们在未来更多令人着迷的实验和应用中的潜力，迈向‘量子互联网’。”

更多信息： Jingzhong Yang 等人，