“我們不僅首次完成了將量子點(diǎn)作為光源的城市間量子密鑰分發(fā)測(cè)試，從而驗(yàn)證了量子點(diǎn)在量子通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用潛力，所實(shí)現(xiàn)的安全密鑰率也超過(guò)目前所有基于通信波段單光子光源完成的密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)?！?/span>

在利用通信波段單光子進(jìn)行量子密鑰分發(fā)上，本次成果也確立了新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

這標(biāo)志著通信波段量子點(diǎn)的研究保持著穩(wěn)步前進(jìn)的發(fā)展，證明了量子點(diǎn)光源在集成到城域規(guī)模的光纖網(wǎng)絡(luò)中的可行性。

             （來(lái)源：Light sci. appl.（2024）DOI: 10.1038/s41377-024-01488-0）

正如人類(lèi)心臟通過(guò)跳動(dòng)實(shí)現(xiàn)全身血液輸送一樣，楊靖忠和所在團(tuán)隊(duì)也期待量子點(diǎn)能夠成為量子通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的核心之一，為其提供源源不斷的光量子，從而作為驅(qū)動(dòng)其運(yùn)行的動(dòng)力。

未來(lái)幾年，假如高性能量子點(diǎn)產(chǎn)能逐漸能夠滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)化需求，那么本次基于通信波段量子點(diǎn)的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)也會(huì)逐漸進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化。

人們可以打造基于量子點(diǎn)的量子終端，進(jìn)而將其作為分布式量子網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)。

預(yù)計(jì)將來(lái)這些分布在不同位置的節(jié)點(diǎn)，既可以互相通過(guò)光纖或衛(wèi)星信道完成信號(hào)傳輸，也可以與當(dāng)?shù)卦O(shè)備進(jìn)行交互，例如與手機(jī)還有量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互。

同時(shí)，通過(guò)打造性能更高的量子點(diǎn)，以及優(yōu)化相關(guān)器件的制備工藝，也將推進(jìn)量子中繼器的開(kāi)發(fā)，從而在完成更長(zhǎng)距離通信例如跨大洲的全球通信中，克服信號(hào)受到的損耗干擾問(wèn)題。

將量子點(diǎn)用于量子網(wǎng)絡(luò)，難在哪里？

事實(shí)上，本次成果和多數(shù)人每天都在使用的互聯(lián)網(wǎng)息息相關(guān)。

當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在給人類(lèi)帶給生活便利的同時(shí)，日益嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)攻擊、以及未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，都會(huì)給信息安全提出挑戰(zhàn)。

在眾多與信息安全相關(guān)的技術(shù)中，量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被普遍認(rèn)為是信息通信安全的最終方案。

在推進(jìn)量子信息技術(shù)的發(fā)展中，例如推進(jìn)大尺度分布式量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建時(shí)，光可以作為一種很好的信息載體媒介。

這是因?yàn)榻M成光的光子本身不僅能夠以光速進(jìn)行傳播，同時(shí)對(duì)外界去相干的環(huán)境也具備很強(qiáng)的抗干擾能力。

要想構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)，一般需要攜帶信息的光子通過(guò)部署地面的光纖網(wǎng)絡(luò)、或通過(guò)以衛(wèi)星構(gòu)建的自由空間，來(lái)達(dá)成城市之間、國(guó)家之間、甚至是大洲之間的用戶(hù)通信。

其中，能否發(fā)射單光子來(lái)作為信息載體的量子光源，承擔(dān)著重要作用。

當(dāng)前，用于量子網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的主流光源，依靠的是弱化相干激光、或基于晶體非線(xiàn)性效應(yīng)的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換光源，這些光源本身存在光源效率受限的問(wèn)題。

過(guò)去十多年里，楊靖忠博士所在的德國(guó)萊布尼茨漢諾威大學(xué)丁飛教授課題組，一直致力于探索將半導(dǎo)體量子點(diǎn)作為量子光源。

所謂量子點(diǎn)，可以將其理解為體積極小的、類(lèi)似原子的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)。2023 年，有學(xué)者憑借合成量子點(diǎn)的成果獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

在量子信息技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展上，量子點(diǎn)起著重要作用。不同于傳統(tǒng)的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換的光源，量子點(diǎn)在物理上不會(huì)受到發(fā)光效率的限制。

這是因?yàn)槔碚撋?，在每次受到激發(fā)之后，量子點(diǎn)都會(huì)根據(jù)所選擇的激發(fā)方式，按需發(fā)射一個(gè)全同的單光子或發(fā)射一組自身單光子全同的糾纏光子對(duì)。

對(duì)于打造量子網(wǎng)絡(luò)中“量子中繼器”、以及打造“測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)的量子密鑰分發(fā)”等技術(shù)，量子點(diǎn)的上述特點(diǎn)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

然而，要想研發(fā)具備高亮度、高單光子純度、且發(fā)光波長(zhǎng)在通信波段的量子點(diǎn)，需要極為苛刻的納米設(shè)備條件、復(fù)雜的制備流程，同時(shí)也非?？简?yàn)研發(fā)者的納米技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

長(zhǎng)期以來(lái)，受限于量子點(diǎn)的發(fā)光性能，領(lǐng)域內(nèi)很少有人真正將量子點(diǎn)用于量子網(wǎng)絡(luò)之中。

        （來(lái)源：Light sci. appl.（2024）Fig.1a. DOI: 10.1038/s41377-024-01488-0）

實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域內(nèi)多年來(lái)的共同期盼

為了推進(jìn)驗(yàn)證量子點(diǎn)在量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的可行性，楊靖忠的博士導(dǎo)師丁飛教授提出了本次課題，并與德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院斯特凡·庫(kù)克（Stefan Kück）教授團(tuán)隊(duì)、以及德國(guó)斯圖加特大學(xué)皮特·米歇爾（Peter Michler）團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開(kāi)展。

與此同時(shí)，三支團(tuán)隊(duì)都是德國(guó)聯(lián)邦教育與研究部 QR.X 項(xiàng)目的參與方，該項(xiàng)目旨在開(kāi)發(fā)能被用于安全量子通信的量子中繼器。所以，他們此前已經(jīng)擁有深厚的合作基礎(chǔ)。

研究中，丁飛課題組采用了由 Peter Michler 團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的一種基于通信波段量子點(diǎn)的微納器件。

該器件整體上一種圓形的布拉格光柵結(jié)構(gòu)，形狀上類(lèi)似于牛眼環(huán)，整體尺寸大約為 10 微米。這種結(jié)構(gòu)是通過(guò)納米光刻技術(shù)在幾十納米的量子點(diǎn)周邊刻蝕形成。

器件則能利用光學(xué)的衍射效應(yīng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)量子點(diǎn)發(fā)射單光子的高效率提取。

      （來(lái)源：Light sci. appl.（2024）Fig.1b. DOI: 10.1038/s41377-024-01488-0）

在本次研究的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)中，丁飛團(tuán)隊(duì)在位于德國(guó)漢諾威市的實(shí)驗(yàn)室中，針對(duì)量子點(diǎn)器件所發(fā)射單光子的偏振態(tài)進(jìn)行逐一編碼。

然后，通過(guò)長(zhǎng)達(dá) 79 公里的城市地下光纖，傳送到 Stefan Kück 實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)密鑰解碼，雙方通過(guò)測(cè)量基對(duì)比的過(guò)程完成安全密鑰的共享，進(jìn)而可以使用量子安全密鑰實(shí)現(xiàn)了對(duì)于經(jīng)典信息的加密。

實(shí)驗(yàn)中，Peter Michler 課題組主要負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)高亮度的通信波段量子點(diǎn)器件。

完成開(kāi)發(fā)之后，量子點(diǎn)器件會(huì)被運(yùn)送到丁飛課題組位于德國(guó)漢諾威大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，裝配到基于氣氦循環(huán)的低溫冷卻系統(tǒng)之中。

結(jié)合提前搭建的量子密鑰加密發(fā)送端，將單光子密鑰經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá) 79 公里的光纖，發(fā)送到 Stefan Kück 課題組的實(shí)驗(yàn)室接收端進(jìn)行解密。

      （來(lái)源：Light sci. appl.（2024）Fig.3d, DOI: 10.1038/s41377-024-01488-0）

各方不僅要嚴(yán)格高效地完成自己的工作，彼此之間也需要確保積極有效的通力合作。

作為丁飛團(tuán)隊(duì)的一員，楊靖忠回憶稱(chēng)：“通信波段量子點(diǎn)器件樣品的運(yùn)送，是由 Peter Michler 課題組的一名博士生坐火車(chē)攜帶到漢諾威的。”

樣品到達(dá)漢諾威的實(shí)驗(yàn)室之前，一直保存在他們自制的真空儲(chǔ)藏腔之內(nèi)，以便隔絕外界環(huán)境可能會(huì)對(duì)樣品造成的污染。

從此前在 Peter Michler 實(shí)驗(yàn)室對(duì)于樣品發(fā)光性能的表征結(jié)果來(lái)看，其所表現(xiàn)的亮度與單光子純度，在當(dāng)時(shí)是世界最高水平。

而當(dāng)楊靖忠與同事把樣品從真空環(huán)境取出時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)樣品從固定處脫落在腔內(nèi)。后來(lái)，他重新在顯微鏡下查看樣品情況，盡管形貌顯示沒(méi)有問(wèn)題，但他還是非常擔(dān)心樣品性能是否因此受到折損。

再后來(lái)，直到他們?cè)诒碚飨到y(tǒng)上探測(cè)到了和 Peter Michler 實(shí)驗(yàn)室一樣的結(jié)果，懸著的心這才終于放下。

而當(dāng)看到由量子點(diǎn)所發(fā)射的單光子信號(hào)，在經(jīng)過(guò) 79 公里光纖到達(dá) Stefan Kück 課題組之后的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果的時(shí)刻，也讓楊靖忠等人非常難忘。

他說(shuō)：“實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離光纖之后，光子信號(hào)依舊保持著極高的單光子純度。此前，我們的量子點(diǎn)表征研究都是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，一直憧憬著有一天能把它用到實(shí)地的量子通信測(cè)試?！?/span>

他繼續(xù)說(shuō)道：“我至今記得：當(dāng)丁飛老師代表我們?cè)?QR.X 項(xiàng)目定期交流會(huì)上展示結(jié)果圖時(shí)，立時(shí)收獲了在場(chǎng)聽(tīng)眾的熱烈掌聲，所以我們也算是實(shí)現(xiàn)了領(lǐng)域內(nèi)一直以來(lái)的共同期盼。”

最終，相關(guān)論文以《利用半導(dǎo)體單光子源實(shí)現(xiàn)高速城際量子密鑰分發(fā)》（High-rate intercity quantum key distribution with a semiconductor single-photon source）為題發(fā)在 Light: Science & Applications[1]。

楊靖忠博士是第一作者，丁飛教授擔(dān)任通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Light: Science & Applications）

當(dāng)然，要想實(shí)現(xiàn)基于量子點(diǎn)的量子密鑰分發(fā)工作的產(chǎn)業(yè)化，就需要在高性能量子點(diǎn)的大批量生長(zhǎng)上進(jìn)行優(yōu)化。

他們還將繼續(xù)推進(jìn)量子點(diǎn)、及其相關(guān)器件的發(fā)展。未來(lái)也將嘗試在實(shí)地量子網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上驗(yàn)證基于量子點(diǎn)的量子中繼器的可行性。

此外，他們也希望逐步探索量子點(diǎn)在其他量子領(lǐng)域的應(yīng)用，例如探索其在量子計(jì)量、量子傳感、光量子計(jì)算等領(lǐng)域的應(yīng)用。