科学家首次使用确定性单光子源实现城际量子密钥分发

使用来自半导体量子点 （QD） 的单光子在“下萨克森量子链路”上的城际 QKD 实验概述。a 汉诺威（爱丽丝）和布伦瑞克（鲍勃）之间的量子比特分布在79公里的已部署光纤上，总损耗为25.49 dB。来自 Google 的地图数据（2023 年谷歌）。b 实验装置草图。图片来源：Light： Science & Applications （2024）。

DOI：10.1038/s41377-024-01488-0

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，需要量子密钥分发 （QKD）。

QKD是一种利用量子物理学的独特特性来保护数据传输的技术。多年来，这种方法一直在不断优化，但由于现有量子光源的局限性，建立大型网络一直具有挑战性。

在《光：科学与应用》杂志上发表的一篇新文章中，德国的一个科学家团队用确定性单光子源实现了第一个城际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）的丁飞教授、联邦物理技术学院（PTB）的Stefan Kück教授、斯图加特大学的Peter Michler教授和其他同事领导。

半导体量子点（QD）在量子世界中被称为人造原子，在照亮量子信息技术中使用的量子光方面显示出巨大的潜力。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。

丁飞教授解释说：“我们研究量子点，量子点是类似于原子的微小结构，但根据我们的需求量身定制。我们首次在两个不同城市之间的量子通信实验中使用了这些“人造原子”。这种被称为'下萨克森量子链路'的装置通过光纤连接汉诺威和布伦瑞克。

城际实验在德国联邦下萨克森州进行，其中一条长度约为 79 公里的部署光纤连接汉诺威莱布尼茨大学 （LUH） 和布伦瑞克物理技术学院 （PTB）。

爱丽丝位于LUH，静态制备在偏振中加密的单光子。位于PTB的Bob包含一个无源偏振解码器，用于解密通过基于光纤的量子通道接收到的单光子的偏振态。这也是德国下萨克森州的第一个量子通信链路。

因此，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，在长达 144 公里的距离内可以实现正密钥速率 （SKR），相当于 28.11 dB 的损耗。基于该部署的光纤链路，确保了35小时的低量子误码率（QBER）的高速密钥传输。

“与涉及SPS的现有QKD系统的比较分析表明，这项工作中实现的SKR超出了当前所有基于SPS的实施。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已建立诱饵状态QKD协议所达到的水平，“该研究的第一作者Jingzhong Yang博士说。

研究人员推测，量子点还为实现其他量子互联网应用（如量子中继器、分布式量子传感）提供了广阔的前景，因为它们允许量子信息的固有存储，并可以发射光子团簇态。这项工作的结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消息不会被截获。“量子点设备发射单光子，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，我们只梦想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进行更多引人入胜的实验和应用的潜力，朝着'量子互联网'迈进。

更多信息：Jingzhong Yang et al， High-rate intercity quantum key distribution with a semiconductor single-photon source， Light： Science & Applications （2024）.DOI： 10.1038/s41377-024-01488-0

期刊信息： Light： Science & Applications