▎撰稿：楊靖忠

▎本文來自論文作者投稿

封面：量子點發(fā)出的單光子被耦合到德國漢諾威市的場基部署光纖中，并被發(fā)送到德國布倫瑞克市。

▎導讀

近日，德國萊布尼茨漢諾威大學丁飛教授，德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院Stefan Kück教授，以及斯圖加特大學Peter Michler教授等人，首次完成了基于半導體單光子光源的城際間量子密鑰分發(fā)實驗工作。在該實驗中，研究團隊楊靖忠等人將由半導體量子點發(fā)射的，波長在電信C波段，并且經(jīng)過偏振編碼的單光子密鑰從位于德國下薩克森州的漢諾威經(jīng)過79公里量子信道發(fā)送至布倫瑞克完成密鑰解碼（如圖1所示）。

該成果文章發(fā)表在Light: Science & Applications，題為“High-rate intercity quantum key distribution with a semiconductor single-photon source”。

圖1：量子比特通過連接在漢諾威和布倫瑞克之間的79公里暗光纖進行傳輸。地圖數(shù)據(jù)來自于谷歌 (?2023 Google)

▎正文

量子密鑰分發(fā)是利用量子力學特征實現(xiàn)密碼協(xié)議的安全通信方式，也是量子通信任務(wù)中最典型的例子。其最重要的也最獨特的性質(zhì)是，當存在第三方試圖竊聽密碼，通信雙方便會察覺因此中斷通信。而在量子密鑰分發(fā)工作中使用單光子或者糾纏光源將有助于提高安全性和最大傳輸距離。

半導體量子點作為一種能夠發(fā)射高亮度、高純度、高全同性的單光子的光源，在實現(xiàn)量子通信的諸多應(yīng)用中具有極大潛力與優(yōu)勢。例如，測量設(shè)備無關(guān)的量子密鑰分發(fā)、量子中繼器、制備糾纏團簇態(tài)等。在光纖網(wǎng)絡(luò)信道中，波長在電信C波段的光子承受的損耗較低，因此能夠保證較長距離的信息傳輸。然而，制備發(fā)射該波長范圍內(nèi)高質(zhì)量單光子信號的半導體量子點難度非常大，因此一直以來阻礙著其在城市距離以上應(yīng)用與量子通信測試的進展。近期，斯圖加特大學Peter Michler團隊制備了一種嵌入半導體量子點的圓布拉克光柵器件，能夠直接發(fā)射電信C波段的高亮度、高純度的單光子。這一突破為論文中利用半導體單光子元成功實現(xiàn)城際間量子密鑰分發(fā)提供了重要保證。

如圖2所展示的該量子密鑰分發(fā)實驗的裝置圖。萊布尼茨漢諾威大學的實驗室搭有實驗裝置的信號發(fā)射端，其中含帶量子點的圓布拉格光柵器件被裝載在溫度為4 K的氣氦環(huán)境下并且由脈沖重復頻率為228 MHz的激光激發(fā)。實驗人員對該器件受激發(fā)出射的單光子收集并對每個光子偏振狀態(tài)進行編碼，隨后將其導入漢諾威與布倫瑞克之間長度為79公里，對應(yīng)總損耗約為25.5 dB的‘下薩克森州量子鏈路’。德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院位于量子鏈路上的信號的接收端，其實驗接收裝置中采用了一個分光鏡，兩個偏振選擇分光鏡配合單光子探測器以及事件相關(guān)單光子計數(shù)器，完成對于到達的單光子偏振態(tài)信息進行解碼。

圖2：基于單光子的量子密鑰分發(fā)實驗裝置圖

在本次量子密鑰分發(fā)實驗中，為探究密鑰分發(fā)的穩(wěn)定性以及可實現(xiàn)安全密鑰率（SKR）。研究人員在實驗裝置的發(fā)射端對每個單光子的偏振選擇{H,V,D,A}四種狀態(tài)之一進行編碼，其后在接受端進行解碼測試并觀察量子比特錯誤率（QBER） 與安全密鑰率的情況。圖3展示了接收端對于每種偏振態(tài)解碼之后比特錯誤率與量子安全密鑰率隨時間的變化。而在35小時的單光子密鑰傳輸過程中，利用二維時間濾波數(shù)據(jù)處理方式，實驗結(jié)果的平均比特錯誤率從1.04%有效降低到0.65%，進而分別提升無限與有限碼長情況下的平均安全密鑰率到達約10.93 kbits/s和5.35 kbits/s。值得一提的是，在此實現(xiàn)的安全密鑰率已經(jīng)能夠支持城際雙方進行簡單的實時語音通信加密任務(wù)。

圖3：量子安全密鑰分發(fā)速率與比特錯誤率隨傳輸時間的變化。右圖分別顯示了使用和不使用二維時間濾波下，35小時密鑰傳輸時間內(nèi)的平均安全密鑰率與比特錯誤率。

論文中研究人員利用直接發(fā)光在電信C波段的高質(zhì)量半導體單光子光源，首次實現(xiàn)了城際間的量子密鑰分發(fā)實驗驗證。不僅如此，其達到的安全密鑰率已經(jīng)超過世界上其他已經(jīng)完成的基于電信波段單光子光源的密鑰分發(fā)實驗。當前量子密鑰分發(fā)實驗比較成熟且廣泛使用的光源是引入誘騙態(tài)的弱相干激光。本次實驗結(jié)果的每脈沖密鑰比特，接近目前利用弱相干激光光源所達到的最新記錄。

關(guān)于半導體量子光源在量子通信應(yīng)用中的發(fā)展，一方面光源自身在電信波段的發(fā)光性能還有很大的優(yōu)化空間。例如單光子的發(fā)光效率、全同性、縮短輻射壽命實現(xiàn)高頻發(fā)光，甚至糾纏光子對發(fā)射等。另一方面，光源發(fā)光性能的提升不僅僅會帶來單向量子密鑰分發(fā)中密鑰率的提升，也會助力其他量子通信協(xié)議與部件的完成，例如能夠在分布式網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)，或者對抗超長距離下信道損耗嚴重的量子中繼器等研究。

▎論文信息

Yang, J., Jiang, Z., Benthin, F. et al. High-rate intercity quantum key distribution with a semiconductor single-photon source. Light Sci Appl 13, 150 (2024). 

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01488-0