“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)。”

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。

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

正如人類心臟通過跳動(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。

未來幾年，假如高性能量子點(diǎn)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(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)將來這些分布在不同位置的節(jié)點(diǎn)，既可以互相通過光纖或衛(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(hào)受到的損耗干擾問題。

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部署地面的光纖網(wǎng)絡(luò)、或通過以衛(wèi)星構(gòu)建的自由空間，來達(dá)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(dān)著重要作用。

當(dāng)前，用于量子網(wǎng)絡(luò)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(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(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)槔碚撋希诿看问艿郊ぐl(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“測量設(shè)備無關(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)也非常考驗(yàn)研發(fā)者的納米技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

長期以來，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，并與德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院斯特凡·庫克（Stefan Kück）教授團(tuán)隊(duì)、以及德國斯圖加特大學(xué)皮特·米歇爾（Peter Michler）團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開展。

與此同時(shí)，三支團(tuán)隊(duì)都是德國聯(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(diǎn)周邊刻蝕形成。

器件則能利用光學(xué)的衍射效應(yīng)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)量子點(diǎn)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(shí)驗(yàn)中，丁飛團(tuán)隊(duì)在位于德國漢諾威市的實(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，通過長達(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，雙方通過測量基對(duì)比的過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)開發(fā)高亮度的通信波段量子點(diǎn)器件。

完成開發(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)過長達(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：“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，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(dān)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(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 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：“實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在經(jīng)過長距離光纖之后，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)地的量子通信測試。”

他繼續(xù)說道：“我至今記得：當(dāng)丁飛老師代表我們在 QR.X 項(xiàng)目定期交流會(huì)上展示結(jié)果圖時(shí)，立時(shí)收獲了在場聽眾的熱烈掌聲，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。