微型量子点开启牢不可破加密技术的未来

一支物理学家团队取得了一项突破性进展，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。

这项由尤瓦尔·布鲁姆（Yuval Bloom）和约阿德·奥丹（Yoad Ordan）两位博士生主导、希伯来大学拉卡物理研究所（Racah Institute of Physics）的罗南·拉帕波特（Ronen Rapaport）教授指导，并与洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los-Alamos National Labs）研究人员合作的研究发表于PRX Quantum期刊。该研究提出了一种全新实用方法，显著改进了我们利用光粒子（即使使用不完美设备）发送量子加密信息的方式。

攻克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——始终依赖于一个难以实现的要求：完美设计的单光子源。这类微型光源需能每次仅发射一个光粒子（光子）。但在实践中，建造如此绝对精密的器件已被证明极其困难且成本高昂。

为规避此问题，该领域严重依赖更易生产但非理想的激光器。这些激光器发出包含少量但数量不可预测光子的微弱光脉冲——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"同时编码在多个光子上的信息位。

利用非完美工具的更优方案

布鲁姆、奥丹及其团队颠覆了传统思路。他们并未等待完美的光子源，而是开发出两种基于现有技术的新协议——利用基于量子点（行为类似人造原子的微小半导体粒子）的亚泊松光子源。

通过动态调控这些量子点的光学特性并将其与纳米天线配对，该团队成功精细调整了光子的发射方式。这种微调使他们能够提出并演示两种先进的加密策略：

• 截断式诱骗态协议：针对非完美单光子源改进的广用量子加密方法新版本，可有效排除因多光子事件导致的潜在黑客攻击。
• 预示纯化协议：通过实时"过滤"多余光子来显著提升信号安全性的新方法，确保仅记录真正的单光子位。

在模拟与实验室实验中，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——将安全密钥交换距离延长了超过3分贝，这在该领域是重大飞跃。

真实场景测试与迈向实用量子网络的一步

为证明其不仅限于理论，团队使用室温量子点光源构建了真实量子通信系统。他们运行了强化版知名BB84加密协议（众多量子密钥分发系统的核心框架），结果证明其方法不仅可行，且优于现有技术。

更重要的是，该方法兼容多种量子光源，有望大幅降低大规模部署量子安全通信的成本与技术壁垒。

"这是通向实用化、可普及量子加密的重要一步，"拉帕波特教授表示。"它证明我们无需完美硬件即可获得卓越性能——关键在于更智慧地运用现有技术。"

共同第一作者尤瓦尔·布鲁姆补充道："我们希望这项工作助力开启安全且经济实惠的真实世界量子网络。最酷的是我们无需等待，全球许多实验室用现有设备即可实现。"