微小量子点开启牢不可破加密的未来

一支物理学家团队取得了一项突破性进展，该成果可能使安全的量子通信更接近日常应用——且无需完美的硬件设备。

这项由博士研究生尤瓦尔·布鲁姆（Yuval Bloom）和约阿德·奥尔丹（Yoad Ordan）主导，在希伯来大学拉卡物理研究所罗南·拉帕波特（Ronen Rapaport）教授指导下并与洛斯阿拉莫斯国家实验室研究人员合作完成的研究，发表在《PRX Quantum》期刊上。该研究引入了一种新颖实用的方法，显著改进了我们利用光粒子（光子）发送量子加密信息的方式——即使在使用不完美设备的情况下。

破解量子通信领域四十年难题

四十年来，量子密钥分发（QKD）——这门利用量子力学创建牢不可破加密技术的科学——其圣杯一直依赖于一个难以实现的要求：完美设计的单光子源。这种微型光源能够一次发射一个光粒子（光子）。但在实践中，制造如此绝对精密的设备已被证明极其困难且成本高昂。

为此，该领域一直严重依赖激光器。激光器虽易于生产，却非理想之选。这些激光器发出包含少量但数量不可预测的光子的微弱光脉冲——这种折衷方案既限制了安全性，也限制了数据可安全传输的距离，因为聪明的窃听者可以“窃取”同时在多个光子中编码的信息比特。

利用不完美工具的更优方案

布鲁姆、奥尔丹及其团队另辟蹊径。他们并未等待完美的光子源，而是开发了两种基于现有技术的新协议——即基于量子点的亚泊松光子源，这种微型半导体粒子表现出类似人造原子的特性。

通过动态调控这些量子点的光学行为并将其与纳米天线配对，该团队能够微调光子的发射方式。这种精细调控使他们得以提出并演示两种先进的加密策略：

• 截尾诱骗态协议：对广泛使用的量子加密方法进行的新改进，专为不完美的单光子源定制，可排除因多光子事件导致的潜在黑客攻击。
• 预示纯化协议：一种通过实时“过滤”多余光子来显著提高信号安全性的新方法，确保仅记录真正的单光子比特。

在模拟和实验室实验中，这些技术的表现甚至超越了传统激光基QKD方法的最佳版本——将安全密钥可交换的距离延长了超过3分贝，这是该领域的重大飞跃。

现实世界测试与迈向实用量子网络的一步

为证明其不仅限于理论，该团队使用室温量子点光源构建了一个现实世界的量子通信系统。他们运行了其强化的、著名BB84加密协议（许多量子密钥分发系统的核心）的新版本，并证明他们的方法不仅可行，而且优于现有技术。

此外，他们的方法与多种量子光源兼容，有望降低大规模部署量子安全通信的成本和技术壁垒。

“这是迈向实用化、可普及的量子加密的重要一步，”拉帕波特教授表示。“它表明我们无需完美的硬件也能获得卓越性能——我们只需要更智慧地利用现有资源。”

共同第一作者尤瓦尔·布鲁姆补充道：“我们希望这项工作有助于开启安全且负担得起的现实世界量子网络的大门。很酷的一点在于我们无需等待，它可以用我们全球许多实验室已有的设备来实现。”