科學家開發出可在室溫工作的單光子源，推進量子加密應用

近日，科學家開發出一種可在室溫下工作的新型高純度單光子源，這是邁向量子技術應用的重要一步，例如基于量子密鑰分發(QKD)的保密通信。

量子密鑰分發(QKD)利用光的量子特性生成安全的隨機密鑰，以此對數據進行加密和解密，為數據通信提供了無法破解的加密。QKD系統需要強大而明亮的光源，并以單光子的形式發光。此前，大多數單光子源都需要在零下幾百攝氏度低溫下工作，這限制了其實用性。

此次，來自澳大利亞悉尼科技大學、新南威爾士大學和麥考瑞大學的研究團隊開發出一種按需生成高純度光子的方法，可以使高純度的單光子源在室溫下工作，有助于推進QKD系統的應用，并可集成到各類量子光子應用中。相關成果發表在《Optics Letters》光學期刊。

圖片來自《Optics Letters》光學期刊

研究人員表示，團隊所研發的單光子源在室溫下每秒可以產生超過一千萬個光子，還可以將其整合到能夠執行QKD的便攜設備中。并且，這一新型單光子源結合了六方氮化硼(h-BN)二維材料和半球形固體浸沒透鏡(SIL)光學元件，使光源效率提高了6倍。

“大多數用于改善六方氮化硼制備單光子源的方法，都依賴于精確定位光源發射器或使用納米制造，”澳大利亞悉尼科技大學Helen Zeng說道，“這使得設備變得復雜，難以規模化，不容易大規模生產。”

因此，團隊采用一個固體浸沒透鏡來聚焦來自單光子發射器的光子，這樣就可以檢測到更多的光子。研究中所使用的透鏡是常見的光學元件，很容易制造和獲得，有利于大規模制備單光子源。

研究人員還將新型單光子源與一個定制的便攜式共聚焦顯微鏡相結合，該顯微鏡可以在室溫下測量單光子，形成一個可以執行QKD的系統。單光子源和共聚焦顯微鏡被封裝在一起，該封裝結構只有500×500毫米大小，重約10公斤，能夠應對振動和雜散光(Stray light)問題。

500×500毫米大小，重約10公斤的含單光子源和共聚焦顯微鏡的封裝，圖片來自論文

“我們的流線型設備使用起來更容易，并且比傳統光學儀器要小得多，”Zeng表示，“這使得該系統可以應用于一系列量子計算方案，還可以適應現有的電信基礎設施。”

研究人員通過測試表明，新型單光子源可以實現10^7hz（赫茲）的單光子收集率，同時保持較高的純度，這意味著每個脈沖包含一個以上光子的概率很低，并且在連續多小時的運行中表現穩定。研究人員還演示了該系統在現實條件下執行QKD的能力，表明20MHz（兆赫）重復率的安全QKD在數公里范圍內是可行的。

未來，前述團隊計劃在加密過程中，進一步測試新型單光子源的魯棒性、穩定性和效率，并計劃將其“帶出”實驗室，轉化成技術成熟的產品。

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