Light·封面 | 城际量子密钥分发-半导体单光子光源
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》期刊上，题为“High-rate intercity quantum key distribution with a semiconductor single-photon source”。
背景介绍
量子密钥分发（名词解释）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。
创新研究
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
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).
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