“我們不僅首次完成了將量子點作為光源的城市間量子密鑰分發(fā)測試，從而驗證了量子點在量子通信網(wǎng)絡中的應用潛力，所實現(xiàn)的安全密鑰率也超過目前所有基于通信波段單光子光源完成的密鑰分發(fā)實驗。”

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

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

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

正如人類心臟通過跳動實現(xiàn)全身血液輸送一樣，楊靖忠和所在團隊也期待量子點能夠成為量子通信網(wǎng)絡應用的核心之一，為其提供源源不斷的光量子，從而作為驅(qū)動其運行的動力。

未來幾年，假如高性能量子點產(chǎn)能逐漸能夠滿足產(chǎn)業(yè)化需求，那么本次基于通信波段量子點的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)也會逐漸進入產(chǎn)業(yè)化。

人們可以打造基于量子點的量子終端，進而將其作為分布式量子網(wǎng)絡中的節(jié)點。

預計將來這些分布在不同位置的節(jié)點，既可以互相通過光纖或衛(wèi)星信道完成信號傳輸，也可以與當?shù)卦O備進行交互，例如與手機還有量子計算機進行交互。

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

將量子點用于量子網(wǎng)絡，難在哪里？

事實上，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)。

當前，網(wǎng)絡技術(shù)在給人類帶給生活便利的同時，日益嚴重的網(wǎng)絡攻擊、以及未來量子計算機的出現(xiàn)，都會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)絡技術(shù)被普遍認為是信息通信安全的最終方案。

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

這是因為組成光的光子本身不僅能夠以光速進行傳播，同時對外界去相干的環(huán)境也具備很強的抗干擾能力。

要想構(gòu)建量子網(wǎng)絡，一般需要攜帶信息的光子通過部署地面的光纖網(wǎng)絡、或通過以衛(wèi)星構(gòu)建的自由空間，來達成城市之間、國家之間、甚至是大洲之間的用戶通信。

其中，能否發(fā)射單光子來作為信息載體的量子光源，承擔著重要作用。

當前，用于量子網(wǎng)絡測試的主流光源，依靠的是弱化相干激光、或基于晶體非線性效應的自發(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題。

過去十多年里，楊靖忠博士所在的德國萊布尼茨漢諾威大學丁飛教授課題組，一直致力于探索將半導體量子點作為量子光源。

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

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

這是因為理論上，在每次受到激發(fā)之后，量子點都會根據(jù)所選擇的激發(fā)方式，按需發(fā)射一個全同的單光子或發(fā)射一組自身單光子全同的糾纏光子對。

對于打造量子網(wǎng)絡中“量子中繼器”、以及打造“測量設備無關(guān)的量子密鑰分發(fā)”等技術(shù)，量子點的上述特點發(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)光波長在通信波段的量子點，需要極為苛刻的納米設備條件、復雜的制備流程，同時也非?？简炑邪l(fā)者的納米技術(shù)經(jīng)驗。

長期以來，受限于量子點的發(fā)光性能，領域內(nèi)很少有人真正將量子點用于量子網(wǎng)絡之中。

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

實現(xiàn)領域內(nèi)多年來的共同期盼

為了推進驗證量子點在量子網(wǎng)絡應用的可行性，楊靖忠的博士導師丁飛教授提出了本次課題，并與德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院斯特凡·庫克（Stefan Kück）教授團隊、以及德國斯圖加特大學皮特·米歇爾（Peter Michler）團隊聯(lián)合開展。

與此同時，三支團隊都是德國聯(lián)邦教育與研究部 QR.X 項目的參與方，該項目旨在開發(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。

研究中，丁飛課題組采用了由 Peter Michler 團隊開發(fā)的一種基于通信波段量子點的微納器件。

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)是通過納米光刻技術(shù)在幾十納米的量子點周邊刻蝕形成。

器件則能利用光學的衍射效應，來實現(xiàn)對量子點發(fā)射單光子的高效率提取。

      （來源：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)實驗中，丁飛團隊在位于德國漢諾威市的實驗室中，針對量子點器件所發(fā)射單光子的偏振態(tài)進行逐一編碼。

然后，通過長達 79 公里的城市地下光纖，傳送到 Stefan Kück 實驗室實現(xiàn)密鑰解碼，雙方通過測量基對比的過程完成安全密鑰的共享，進而可以使用量子安全密鑰實現(xiàn)了對于經(jīng)典信息的加密。

實驗中，Peter Michler 課題組主要負責開發(fā)高亮度的通信波段量子點器件。

完成開發(fā)之后，量子點器件會被運送到丁飛課題組位于德國漢諾威大學的實驗室，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)過長達 79 公里的光纖，發(fā)送到 Stefan Kück 課題組的實驗室接收端進行解密。

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

各方不僅要嚴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。

作為丁飛團隊的一員，楊靖忠回憶稱：“通信波段量子點器件樣品的運送，是由 Peter Michler 課題組的一名博士生坐火車攜帶到漢諾威的?！?/span>

樣品到達漢諾威的實驗室之前，一直保存在他們自制的真空儲藏腔之內(nèi)，以便隔絕外界環(huán)境可能會對樣品造成的污染。

從此前在 Peter Michler 實驗室對于樣品發(fā)光性能的表征結(jié)果來看，其所表現(xiàn)的亮度與單光子純度，在當時是世界最高水平。

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

再后來，直到他們在表征系統(tǒng)上探測到了和 Peter Michler 實驗室一樣的結(jié)果，懸著的心這才終于放下。

而當看到由量子點所發(fā)射的單光子信號，在經(jīng)過 79 公里光纖到達 Stefan Kück 課題組之后的初步實驗結(jié)果的時刻，也讓楊靖忠等人非常難忘。

他說：“實驗結(jié)果顯示：在經(jīng)過長距離光纖之后，光子信號依舊保持著極高的單光子純度。此前，我們的量子點表征研究都是在實驗室內(nèi)進行，一直憧憬著有一天能把它用到實地的量子通信測試。”

他繼續(xù)說道：“我至今記得：當丁飛老師代表我們在 QR.X 項目定期交流會上展示結(jié)果圖時，立時收獲了在場聽眾的熱烈掌聲，所以我們也算是實現(xiàn)了領域內(nèi)一直以來的共同期盼?！?/span>

最終，相關(guān)論文以《利用半導體單光子源實現(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，丁飛教授擔任通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Light: Science & Applications）

當然，要想實現(xiàn)基于量子點的量子密鑰分發(fā)工作的產(chǎn)業(yè)化，就需要在高性能量子點的大批量生長上進行優(yōu)化。

他們還將繼續(xù)推進量子點、及其相關(guān)器件的發(fā)展。未來也將嘗試在實地量子網(wǎng)絡平臺上驗證基于量子點的量子中繼器的可行性。

此外，他們也希望逐步探索量子點在其他量子領域的應用，例如探索其在量子計量、量子傳感、光量子計算等領域的應用。