科学家开发出可在室温工作的单光子源，推进量子加密应用

近日，科学家开发出一种可在室温下工作的新型高纯度单光子源，这是迈向量子技术应用的重要一步，例如基于量子密钥分发(QKD)的保密通信。

量子密钥分发(QKD)利用光的量子特性生成安全的随机密钥，以此对数据进行加密和解密，为数据通信提供了无法破解的加密。QKD系统需要强大而明亮的光源，并以单光子的形式发光。此前，大多数单光子源都需要在零下几百摄氏度低温下工作，这限制了其实用性。

此次，来自澳大利亚悉尼科技大学、新南威尔士大学和麦考瑞大学的研究团队开发出一种按需生成高纯度光子的方法，可以使高纯度的单光子源在室温下工作，有助于推进QKD系统的应用，并可集成到各类量子光子应用中。相关成果发表在《Optics Letters》光学期刊。

图片来自《Optics Letters》光学期刊

研究人员表示，团队所研发的单光子源在室温下每秒可以产生超过一千万个光子，还可以将其整合到能够执行QKD的便携设备中。并且，这一新型单光子源结合了六方氮化硼(h-BN)二维材料和半球形固体浸没透镜(SIL)光学元件，使光源效率提高了6倍。

“大多数用于改善六方氮化硼制备单光子源的方法，都依赖于精确定位光源发射器或使用纳米制造，”澳大利亚悉尼科技大学Helen Zeng说道，“这使得设备变得复杂，难以规模化，不容易大规模生产。”

因此，团队采用一个固体浸没透镜来聚焦来自单光子发射器的光子，这样就可以检测到更多的光子。研究中所使用的透镜是常见的光学元件，很容易制造和获得，有利于大规模制备单光子源。

研究人员还将新型单光子源与一个定制的便携式共聚焦显微镜相结合，该显微镜可以在室温下测量单光子，形成一个可以执行QKD的系统。单光子源和共聚焦显微镜被封装在一起，该封装结构只有500×500毫米大小，重约10公斤，能够应对振动和杂散光(Stray light)问题。

500×500毫米大小，重约10公斤的含单光子源和共聚焦显微镜的封装，图片来自论文

“我们的流线型设备使用起来更容易，并且比传统光学仪器要小得多，”Zeng表示，“这使得该系统可以应用于一系列量子计算方案，还可以适应现有的电信基础设施。”

研究人员通过测试表明，新型单光子源可以实现10^7hz（赫兹）的单光子收集率，同时保持较高的纯度，这意味着每个脉冲包含一个以上光子的概率很低，并且在连续多小时的运行中表现稳定。研究人员还演示了该系统在现实条件下执行QKD的能力，表明20MHz（兆赫）重复率的安全QKD在数公里范围内是可行的。

未来，前述团队计划在加密过程中，进一步测试新型单光子源的鲁棒性、稳定性和效率，并计划将其“带出”实验室，转化成技术成熟的产品。