Light 封面 | 城际量子密钥分发-半导体单光子光源

▎撰稿：杨靖忠

▎本文来自论文作者投稿

封面：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。

▎导读

近日，德国莱布尼茨汉诺威大学丁飞教授，德国联邦物理技术研究院Stefan Kück教授，以及斯图加特大学Peter Michler教授等人，首次完成了基于半导体单光子光源的城际间量子密钥分发实验工作。在该实验中，研究团队杨靖忠等人将由半导体量子点发射的，波长在电信C波段，并且经过偏振编码的单光子密钥从位于德国下萨克森州的汉诺威经过79公里量子信道发送至布伦瑞克完成密钥解码（如图1所示）。

该成果文章发表在Light: Science & Applications，题为“High-rate intercity quantum key distribution with a semiconductor single-photon source”。

图1：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)

▎正文

量子密钥分发是利用量子力学特征实现密码协议的安全通信方式，也是量子通信任务中最典型的例子。其最重要的也最独特的性质是，当存在第三方试图窃听密码，通信双方便会察觉因此中断通信。而在量子密钥分发工作中使用单光子或者纠缠光源将有助于提高安全性和最大传输距离。

半导体量子点作为一种能够发射高亮度、高纯度、高全同性的单光子的光源，在实现量子通信的诸多应用中具有极大潜力与优势。例如，测量设备无关的量子密钥分发、量子中继器、制备纠缠团簇态等。在光纤网络信道中，波长在电信C波段的光子承受的损耗较低，因此能够保证较长距离的信息传输。然而，制备发射该波长范围内高质量单光子信号的半导体量子点难度非常大，因此一直以来阻碍着其在城市距离以上应用与量子通信测试的进展。近期，斯图加特大学Peter Michler团队制备了一种嵌入半导体量子点的圆布拉克光栅器件，能够直接发射电信C波段的高亮度、高纯度的单光子。这一突破为论文中利用半导体单光子元成功实现城际间量子密钥分发提供了重要保证。

如图2所展示的该量子密钥分发实验的装置图。莱布尼茨汉诺威大学的实验室搭有实验装置的信号发射端，其中含带量子点的圆布拉格光栅器件被装载在温度为4 K的气氦环境下并且由脉冲重复频率为228 MHz的激光激发。实验人员对该器件受激发出射的单光子收集并对每个光子偏振状态进行编码，随后将其导入汉诺威与布伦瑞克之间长度为79公里，对应总损耗约为25.5 dB的‘下萨克森州量子链路’。德国联邦物理技术研究院位于量子链路上的信号的接收端，其实验接收装置中采用了一个分光镜，两个偏振选择分光镜配合单光子探测器以及事件相关单光子计数器，完成对于到达的单光子偏振态信息进行解码。

图2：基于单光子的量子密钥分发实验装置图

在本次量子密钥分发实验中，为探究密钥分发的稳定性以及可实现安全密钥率（SKR）。研究人员在实验装置的发射端对每个单光子的偏振选择{H,V,D,A}四种状态之一进行编码，其后在接受端进行解码测试并观察量子比特错误率（QBER） 与安全密钥率的情况。图3展示了接收端对于每种偏振态解码之后比特错误率与量子安全密钥率随时间的变化。而在35小时的单光子密钥传输过程中，利用二维时间滤波数据处理方式，实验结果的平均比特错误率从1.04%有效降低到0.65%，进而分别提升无限与有限码长情况下的平均安全密钥率到达约10.93 kbits/s和5.35 kbits/s。值得一提的是，在此实现的安全密钥率已经能够支持城际双方进行简单的实时语音通信加密任务。

图3：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。

论文中研究人员利用直接发光在电信C波段的高质量半导体单光子光源，首次实现了城际间的量子密钥分发实验验证。不仅如此，其达到的安全密钥率已经超过世界上其他已经完成的基于电信波段单光子光源的密钥分发实验。当前量子密钥分发实验比较成熟且广泛使用的光源是引入诱骗态的弱相干激光。本次实验结果的每脉冲密钥比特，接近目前利用弱相干激光光源所达到的最新记录。

关于半导体量子光源在量子通信应用中的发展，一方面光源自身在电信波段的发光性能还有很大的优化空间。例如单光子的发光效率、全同性、缩短辐射寿命实现高频发光，甚至纠缠光子对发射等。另一方面，光源发光性能的提升不仅仅会带来单向量子密钥分发中密钥率的提升，也会助力其他量子通信协议与部件的完成，例如能够在分布式网络中应用的测量设备无关量子密钥分发，或者对抗超长距离下信道损耗严重的量子中继器等研究。

▎论文信息

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