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单光子源开启了实用量子密钥分发的大门

2022-4-10 17:05| 发布者: everydayness| 查看: 485| 评论: 0

摘要: 2022年4月5日,悉尼研究人员开发了一种可以在室温下工作的新型高纯度单光子源。该发现标志着量子技术在实际应用方面迈出了重要一步,例如基于量子密钥分发(QKD)的高度安全通信等技术。 这种单光子源独特地将一 ...
         2022年4月5日,悉尼研究人员开发了一种可以在室温下工作的新型高纯度单光子源。该发现标志着量子技术在实际应用方面迈出了重要一步,例如基于量子密钥分发(QKD)的高度安全通信等技术。
         这种单光子源独特地将一种名为六方氮化硼的2D材料与一种名为半球固体浸没透镜的光学组件结合在一起,使光源的效率提高了六倍。
         澳大利亚悉尼科技大学(University of Technology Sydney)研究小组成员Helen Zeng表示: “我们开发了一种按需生产高纯度光子的方法,这种方法是在在室温下工作的一个可伸缩的便携式系统中。我们的单光子源可以推动实用量子密钥分发系统的发展,并可以集成到各种现实世界的量子光子应用中。”

悉尼科技大学博士候选人Helen Zeng(附图)及其同事开发了一种能够进行室温操作的高纯度单光子源,这是量子技术实际应用的重要一步。该图片由悉尼科技大学的Helen Zeng提供

         来自澳大利亚新南威尔士大学(Australia’s University of New South Wales)和麦觉理大学(Macquarie University)的 Zeng 和他的同事展示了单光子源在室温下每秒产生超过1000万个单光子的能力。他们还将单光子源整合到一个可以执行量子密钥分配的完整便携设备中。
         QKD通过使用光的量子特性来生成用于加密和解密数据的安全随机密钥,从而为数据通信提供防篡改加密。QKD系统需要以单光子串的形式发光的稳定而明亮的光源。然而,现在的大多数单光子源都表现不佳,除非在零下数百度的低温下工作,这阻碍了它们的实用性。
         虽然六方氮化硼以前已被用于创建在室温下运行的单光子源,但直到现在,研究人员还无法达到实际应用所需的效率。
         Zeng表示:“用于改善六方氮化硼单光子源的大多数方法都依赖于精确定位发射器或使用纳米制造技术,这使得设备复杂,难以扩展,并且不容易大规模生产。”
         Zeng和她的同事们开始研究一种更好的溶液,使用固体浸没透镜来更好地聚焦来自单光子发射器的光子,从而可以探测到更多的光子。这种镜片在商业上是可以买到的,而且制造起来也很容易。

单光子源和共聚焦显微镜被安装在一个坚固的组件中,只有500 × 500毫米,重约10千克。图片由悉尼科技大学的 Helen Zeng 提供。

         研究小组将新型单光子源与定制的便携式共聚焦显微镜结合起来,可以在室温下测量单个光子,从而创造出一个可以执行量子密钥分配的系统。单光子源和共聚焦显微镜被安装在一个坚固的组件中,只有500 × 500毫米,重约10千克。该套件还被用于处理振动和杂散光。
         "我们简化的设备比传统的光学工作台设置更易于使用,体积也小得多,后者通常占用整个实验室,"Zeng说。"这允许系统与一系列量子计算方案一起使用。它也可以进行调整,以与现有的电信基础设施配合使用。”
         对新型单光子源的测试结果表明,新型单光子源的单光子收集率可达到107 Hz 而保持极好的纯度,这意味着每个脉冲包含一个以上光子的概率很低。在连续数小时的运行中,它还表现出出色的稳定性。研究人员还证明了该系统在现实条件下执行QKD的能力,表明在几公里内以20 MHz重复率确保QKD是可行的。
         证明了他们的便携式设备可以执行复杂的量子密码学,研究人员可以进一步测试加密过程中技术的强大性、稳定性和效率。他们还计划使用新的源代码在真实世界的条件下而不是在实验室中执行量子密钥分配。
         该项目的负责人,悉尼科技大学的Igor Aharonovich说:“我们现在已经准备好将量子2D 材料的这些科学进步转化为技术产品。”

         该研究发表在《Optics Letters》(www.doi.org/10.1364/OL.454450)上。



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