▎撰稿：楊靖忠

▎本文來(lái)自論文作者投稿

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

▎導(dǎo)讀

近日，德國(guó)萊布尼茨漢諾威大學(xué)丁飛教授，德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院Stefan Kück教授，以及斯圖加特大學(xué)Peter Michler教授等人，首次完成了基于半導(dǎo)體單光子光源的城際間量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)工作。在該實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)楊靖忠等人將由半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)射的，波長(zhǎng)在電信C波段，并且經(jīng)過(guò)偏振編碼的單光子密鑰從位于德國(guó)下薩克森州的漢諾威經(jīng)過(guò)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(guò)連接在漢諾威和布倫瑞克之間的79公里暗光纖進(jìn)行傳輸。地圖數(shù)據(jù)來(lái)自于谷歌 (?2023 Google)

▎正文

量子密鑰分發(fā)是利用量子力學(xué)特征實(shí)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(dú)特的性質(zhì)是，當(dāng)存在第三方試圖竊聽(tīng)密碼，通信雙方便會(huì)察覺(jué)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(dǎo)體量子點(diǎn)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(shí)現(xiàn)量子通信的諸多應(yīng)用中具有極大潛力與優(yōu)勢(shì)。例如，測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)的量子密鑰分發(fā)、量子中繼器、制備糾纏團(tuán)簇態(tài)等。在光纖網(wǎng)絡(luò)信道中，波長(zhǎng)在電信C波段的光子承受的損耗較低，因此能夠保證較長(zhǎng)距離的信息傳輸。然而，制備發(fā)射該波長(zhǎng)范圍內(nèi)高質(zhì)量單光子信號(hào)的半導(dǎo)體量子點(diǎn)難度非常大，因此一直以來(lái)阻礙著其在城市距離以上應(yīng)用與量子通信測(cè)試的進(jìn)展。近期，斯圖加特大學(xué)Peter Michler團(tuán)隊(duì)制備了一種嵌入半導(dǎo)體量子點(diǎn)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(dǎo)體單光子元成功實(shí)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(shí)驗(yàn)的裝置圖。萊布尼茨漢諾威大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室搭有實(shí)驗(yàn)裝置的信號(hào)發(fā)射端，其中含帶量子點(diǎn)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(fù)頻率為228 MHz的激光激發(fā)。實(shí)驗(yàn)人員對(duì)該器件受激發(fā)出射的單光子收集并對(duì)每個(gè)光子偏振狀態(tài)進(jìn)行編碼，隨后將其導(dǎo)入漢諾威與布倫瑞克之間長(zhǎng)度為79公里，對(duì)應(yīng)總損耗約為25.5 dB的‘下薩克森州量子鏈路’。德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院位于量子鏈路上的信號(hào)的接收端，其實(shí)驗(yàn)接收裝置中采用了一個(gè)分光鏡，兩個(gè)偏振選擇分光鏡配合單光子探測(cè)器以及事件相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器，完成對(duì)于到達(dá)的單光子偏振態(tài)信息進(jìn)行解碼。

圖2：基于單光子的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置圖

在本次量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)中，為探究密鑰分發(fā)的穩(wěn)定性以及可實(shí)現(xiàn)安全密鑰率（SKR）。研究人員在實(shí)驗(yàn)裝置的發(fā)射端對(duì)每個(gè)單光子的偏振選擇{H,V,D,A}四種狀態(tài)之一進(jìn)行編碼，其后在接受端進(jìn)行解碼測(cè)試并觀察量子比特錯(cuò)誤率（QBER） 與安全密鑰率的情況。圖3展示了接收端對(duì)于每種偏振態(tài)解碼之后比特錯(cuò)誤率與量子安全密鑰率隨時(shí)間的變化。而在35小時(shí)的單光子密鑰傳輸過(guò)程中，利用二維時(shí)間濾波數(shù)據(jù)處理方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均比特錯(cuò)誤率從1.04%有效降低到0.65%，進(jìn)而分別提升無(wú)限與有限碼長(zhǎng)情況下的平均安全密鑰率到達(dá)約10.93 kbits/s和5.35 kbits/s。值得一提的是，在此實(shí)現(xiàn)的安全密鑰率已經(jīng)能夠支持城際雙方進(jìn)行簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)語(yǔ)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(cuò)誤率隨傳輸時(shí)間的變化。右圖分別顯示了使用和不使用二維時(shí)間濾波下，35小時(shí)密鑰傳輸時(shí)間內(nèi)的平均安全密鑰率與比特錯(cuò)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(dǎo)體單光子光源，首次實(shí)現(xiàn)了城際間的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。不僅如此，其達(dá)到的安全密鑰率已經(jīng)超過(guò)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(shí)驗(yàn)。當(dāng)前量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dá)到的最新記錄。

關(guān)于半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)高頻發(fā)光，甚至糾纏光子對(duì)發(fā)射等。另一方面，光源發(fā)光性能的提升不僅僅會(huì)帶來(lái)單向量子密鑰分發(fā)中密鑰率的提升，也會(huì)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(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)量子密鑰分發(fā)，或者對(duì)抗超長(zhǎng)距離下信道損耗嚴(yán)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