近日，科學(xué)家開發(fā)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(shù)應(yīng)用的重要一步，例如基于量子密鑰分發(fā)(QKD)的保密通信。

量子密鑰分發(fā)(QKD)利用光的量子特性生成安全的隨機(jī)密鑰，以此對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，為數(shù)據(jù)通信提供了無法破解的加密。QKD系統(tǒng)需要強(qiáng)大而明亮的光源，并以單光子的形式發(fā)光。此前，大多數(shù)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(shí)用性。

此次，來自澳大利亞悉尼科技大學(xué)、新南威爾士大學(xué)和麥考瑞大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)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(jìn)QKD系統(tǒng)的應(yīng)用，并可集成到各類量子光子應(yīng)用中。相關(guān)成果發(fā)表在《Optics Letters》光學(xué)期刊。

圖片來自《Optics Letters》光學(xué)期刊

研究人員表示，團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的單光子源在室溫下每秒可以產(chǎn)生超過一千萬個(gè)光子，還可以將其整合到能夠執(zhí)行QKD的便攜設(shè)備中。并且，這一新型單光子源結(jié)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(xué)元件，使光源效率提高了6倍。

“大多數(shù)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(fā)射器或使用納米制造，”澳大利亞悉尼科技大學(xué)Helen Zeng說道，“這使得設(shè)備變得復(fù)雜，難以規(guī)模化，不容易大規(guī)模生產(chǎn)?！?/p>

因此，團(tuán)隊(duì)采用一個(gè)固體浸沒透鏡來聚焦來自單光子發(fā)射器的光子，這樣就可以檢測(cè)到更多的光子。研究中所使用的透鏡是常見的光學(xué)元件，很容易制造和獲得，有利于大規(guī)模制備單光子源。

研究人員還將新型單光子源與一個(gè)定制的便攜式共聚焦顯微鏡相結(jié)合，該顯微鏡可以在室溫下測(cè)量單光子，形成一個(gè)可以執(zhí)行QKD的系統(tǒng)。單光子源和共聚焦顯微鏡被封裝在一起，該封裝結(jié)構(gòu)只有500×500毫米大小，重約10公斤，能夠應(yīng)對(duì)振動(dòng)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(shè)備使用起來更容易，并且比傳統(tǒng)光學(xué)儀器要小得多，”Zeng表示，“這使得該系統(tǒng)可以應(yīng)用于一系列量子計(jì)算方案，還可以適應(yīng)現(xiàn)有的電信基礎(chǔ)設(shè)施?！?/p>

研究人員通過測(cè)試表明，新型單光子源可以實(shí)現(xiàn)10^7hz（赫茲）的單光子收集率，同時(shí)保持較高的純度，這意味著每個(gè)脈沖包含一個(gè)以上光子的概率很低，并且在連續(xù)多小時(shí)的運(yùn)行中表現(xiàn)穩(wěn)定。研究人員還演示了該系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)條件下執(zhí)行QKD的能力，表明20MHz（兆赫）重復(fù)率的安全QKD在數(shù)公里范圍內(nèi)是可行的。

未來，前述團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在加密過程中，進(jìn)一步測(cè)試新型單光子源的魯棒性、穩(wěn)定性和效率，并計(jì)劃將其“帶出”實(shí)驗(yàn)室，轉(zhuǎn)化成技術(shù)成熟的產(chǎn)品。