微型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，这可能使安全的量子通信更接近日常使用——而无需完美的硬件。

这项研究由博士生尤瓦尔·布鲁姆（Yuval Bloom）和约阿德·奥尔丹（Yoad Ordan）领导，在耶路撒冷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）教授的指导下，与洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Labs）的研究人员合作完成，并发表在PRX Quantum期刊上。该研究提出了一种新的实用方法，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40年的挑战

四十年来，量子密钥分发（QKD）——利用量子力学创建牢不可破加密的科学——的圣杯一直取决于一个难以实现的要求：完美设计的单光子源。这些是能够一次发射一个光粒子（光子）的微小光源。但在实践中，以绝对精度制造此类设备已被证明极其困难且昂贵。

为解决此问题，该领域严重依赖激光器。激光器更容易生产，但并不理想。这些激光器发出微弱的脉冲光，其中包含少量但不可预测的光子数量——这种折中方案限制了安全性以及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比特。

利用不完美工具的更好方法

布鲁姆、奥尔丹及其团队扭转了这一局面。他们不再等待完美的光子源，而是开发了两种新协议，利用我们现有的技术——基于量子点的亚泊松光子源。量子点是微小的半导体粒子，其行为类似于人造原子。

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，该团队能够调整光子的发射方式。这种微调使他们能够提出并演示两种先进的加密策略：

• 截断诱饵态协议（Truncated decoy state protocol）：一种广泛使用的量子加密方法的新版本，专为不完美的单光子源量身定制，可排除因多光子事件导致的潜在黑客攻击尝试。
• 预告纯化协议（Heralded purification protocol）：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，确保只有真正的单光子比特被记录。

在模拟和实验室实验中，这些技术的性能甚至优于传统基于激光的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，这是该领域的巨大飞跃。

现实世界测试与迈向实用量子网络的一步

为了证明这不仅仅是理论，该团队使用室温量子点源构建了一个真实的量子通信装置。他们运行了其新改进版的著名BB84加密协议——该协议是许多量子密钥分发系统的核心——并表明他们的方法不仅可行，而且优于现有技术。

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

拉帕波特教授表示：“这是迈向实用、可及量子加密的重要一步。它表明我们不需要完美的硬件就能获得卓越的性能——我们只需要更聪明地利用现有资源。”

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打开通往既安全又负担得起的现实世界量子网络的大门。最棒的是，我们无需等待，它可以用我们全球许多实验室已经拥有的设备来实现。”