科学家实现城际量子密钥分发，在等效144公里距离内实现正密钥速率，验证量子点在量子网络的应用潜力

“我们不仅首次完成了将量子点作为光源的城市间量子密钥分发测试，从而验证了量子点在量子通信网络中的应用潜力，所实现的安全密钥率也超过目前所有基于通信波段单光子光源完成的密钥分发实验。”

兰州大学本科校友、中国科学院长春光机所硕士校友、德国莱布尼茨汉诺威大学杨靖忠博士表示。

图 | 杨靖忠（来源：杨靖忠）

近日，他和所在团队验证了一种基于半导体量子点的新型量子光源，能在验证打造量子中继器和分布式量子网络中起到重要作用。

在利用通信波段单光子进行量子密钥分发上，本次成果也确立了新的技术标准。

这标志着通信波段量子点的研究保持着稳步前进的发展，证明了量子点光源在集成到城域规模的光纤网络中的可行性。

图 | 量子点发出的单光子被耦合到德国汉诺威市的场基部署光纤中，并被发送到德国布伦瑞克市。（来源：Light sci. appl.（2024）DOI: 10.1038/s41377-024-01488-0）

正如人类心脏通过跳动实现全身血液输送一样，杨靖忠和所在团队也期待量子点能够成为量子通信网络应用的核心之一，为其提供源源不断的光量子，从而作为驱动其运行的动力。

未来几年，假如高性能量子点产能逐渐能够满足产业化需求，那么本次基于通信波段量子点的量子密钥分发系统也会逐渐进入产业化。

人们可以打造基于量子点的量子终端，进而将其作为分布式量子网络中的节点。

预计将来这些分布在不同位置的节点，既可以互相通过光纤或卫星信道完成信号传输，也可以与当地设备进行交互，例如与手机还有量子计算机进行交互。

同时，通过打造性能更高的量子点，以及优化相关器件的制备工艺，也将推进量子中继器的开发，从而在完成更长距离通信例如跨大洲的全球通信中，克服信号受到的损耗干扰问题。

将量子点用于量子网络，难在哪里？

事实上，本次成果和多数人每天都在使用的互联网息息相关。

当前，网络技术在给人类带给生活便利的同时，日益严重的网络攻击、以及未来量子计算机的出现，都会给信息安全提出挑战。

在众多与信息安全相关的技术中，量子网络技术被普遍认为是信息通信安全的最终方案。

在推进量子信息技术的发展中，例如推进大尺度分布式量子网络的构建时，光可以作为一种很好的信息载体媒介。

这是因为组成光的光子本身不仅能够以光速进行传播，同时对外界去相干的环境也具备很强的抗干扰能力。

要想构建量子网络，一般需要携带信息的光子通过部署地面的光纤网络、或通过以卫星构建的自由空间，来达成城市之间、国家之间、甚至是大洲之间的用户通信。

其中，能否发射单光子来作为信息载体的量子光源，承担着重要作用。

当前，用于量子网络测试的主流光源，依靠的是弱化相干激光、或基于晶体非线性效应的自发参量下转换光源，这些光源本身存在光源效率受限的问题。

过去十多年里，杨靖忠博士所在的德国莱布尼茨汉诺威大学丁飞教授课题组，一直致力于探索将半导体量子点作为量子光源。

所谓量子点，可以将其理解为体积极小的、类似原子的半导体纳米结构。2023 年，有学者凭借合成量子点的成果获得了诺贝尔化学奖。

在量子信息技术的应用发展上，量子点起着重要作用。不同于传统的自发参量下转换的光源，量子点在物理上不会受到发光效率的限制。

这是因为理论上，在每次受到激发之后，量子点都会根据所选择的激发方式，按需发射一个全同的单光子或发射一组自身单光子全同的纠缠光子对。

对于打造量子网络中“量子中继器”、以及打造“测量设备无关的量子密钥分发”等技术，量子点的上述特点发挥着关键作用。

然而，要想研发具备高亮度、高单光子纯度、且发光波长在通信波段的量子点，需要极为苛刻的纳米设备条件、复杂的制备流程，同时也非常考验研发者的纳米技术经验。

长期以来，受限于量子点的发光性能，领域内很少有人真正将量子点用于量子网络之中。

图 | 量子比特通过连接在汉诺威和布伦瑞克之间的 79 公里暗光纤进行传输。地图数据来自于谷歌 (©2023 Google)（来源：Light sci. appl.（2024）Fig.1a. DOI: 10.1038/s41377-024-01488-0）

实现领域内多年来的共同期盼

为了推进验证量子点在量子网络应用的可行性，杨靖忠的博士导师丁飞教授提出了本次课题，并与德国联邦物理技术研究院斯特凡·库克（Stefan Kück）教授团队、以及德国斯图加特大学皮特·米歇尔（Peter Michler）团队联合开展。

与此同时，三支团队都是德国联邦教育与研究部 QR.X 项目的参与方，该项目旨在开发能被用于安全量子通信的量子中继器。所以，他们此前已经拥有深厚的合作基础。

研究中，丁飞课题组采用了由 Peter Michler 团队开发的一种基于通信波段量子点的微纳器件。

该器件整体上一种圆形的布拉格光栅结构，形状上类似于牛眼环，整体尺寸大约为 10 微米。这种结构是通过纳米光刻技术在几十纳米的量子点周边刻蚀形成。

器件则能利用光学的衍射效应，来实现对量子点发射单光子的高效率提取。

图 | 基于单光子的量子密钥分发实验装置图（来源：Light sci. appl.（2024）Fig.1b. DOI: 10.1038/s41377-024-01488-0）

在本次研究的量子密钥分发实验中，丁飞团队在位于德国汉诺威市的实验室中，针对量子点器件所发射单光子的偏振态进行逐一编码。

然后，通过长达 79 公里的城市地下光纤，传送到 Stefan Kück 实验室实现密钥解码，双方通过测量基对比的过程完成安全密钥的共享，进而可以使用量子安全密钥实现了对于经典信息的加密。

实验中，Peter Michler 课题组主要负责开发高亮度的通信波段量子点器件。

完成开发之后，量子点器件会被运送到丁飞课题组位于德国汉诺威大学的实验室，装配到基于气氦循环的低温冷却系统之中。

结合提前搭建的量子密钥加密发送端，将单光子密钥经过长达 79 公里的光纤，发送到 Stefan Kück 课题组的实验室接收端进行解密。

图 | 量子安全密钥分发速率与比特错误率随传输时间的变化。右侧的彩色插图分别显示了使用和不使用二维时间滤波下，35 小时密钥传输时间内的平均安全密钥率与比特错误率。（来源：Light sci. appl.（2024）Fig.3d, DOI: 10.1038/s41377-024-01488-0）

各方不仅要严格高效地完成自己的工作，彼此之间也需要确保积极有效的通力合作。

作为丁飞团队的一员，杨靖忠回忆称：“通信波段量子点器件样品的运送，是由 Peter Michler 课题组的一名博士生坐火车携带到汉诺威的。”

样品到达汉诺威的实验室之前，一直保存在他们自制的真空储藏腔之内，以便隔绝外界环境可能会对样品造成的污染。

从此前在 Peter Michler 实验室对于样品发光性能的表征结果来看，其所表现的亮度与单光子纯度，在当时是世界最高水平。

而当杨靖忠与同事把样品从真空环境取出时，他们发现样品从固定处脱落在腔内。后来，他重新在显微镜下查看样品情况，尽管形貌显示没有问题，但他还是非常担心样品性能是否因此受到折损。

再后来，直到他们在表征系统上探测到了和 Peter Michler 实验室一样的结果，悬着的心这才终于放下。

而当看到由量子点所发射的单光子信号，在经过 79 公里光纤到达 Stefan Kück 课题组之后的初步实验结果的时刻，也让杨靖忠等人非常难忘。

他说：“实验结果显示：在经过长距离光纤之后，光子信号依旧保持着极高的单光子纯度。此前，我们的量子点表征研究都是在实验室内进行，一直憧憬着有一天能把它用到实地的量子通信测试。”

他继续说道：“我至今记得：当丁飞老师代表我们在 QR.X 项目定期交流会上展示结果图时，立时收获了在场听众的热烈掌声，所以我们也算是实现了领域内一直以来的共同期盼。”

图 | 每脉冲密钥数高于所有基于通信波段单光子实现的量子密钥分发实验，接近已实现的量子密钥实验最高记录（来源：Light sci. appl.（2024）Fig.3d, DOI: 10.1038/s41377-024-01488-0）

最终，相关论文以《利用半导体单光子源实现高速城际量子密钥分发》（High-rate intercity quantum key distribution with a semiconductor single-photon source）为题发在 Light: Science & Applications[1]。

杨靖忠博士是第一作者，丁飞教授担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Light: Science & Applications）

当然，要想实现基于量子点的量子密钥分发工作的产业化，就需要在高性能量子点的大批量生长上进行优化。

他们还将继续推进量子点、及其相关器件的发展。未来也将尝试在实地量子网络平台上验证基于量子点的量子中继器的可行性。

此外，他们也希望逐步探索量子点在其他量子领域的应用，例如探索其在量子计量、量子传感、光量子计算等领域的应用。

参考资料：

1.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

运营/排版：何晨龙

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