单光子源为实用的量子加密铺平了道路

　　单光子源和共聚焦显微镜安装在一个坚固的封装内，尺寸仅为500 x 500毫米，重约10公斤。图片来源：Helen Zeng，悉尼科技大学
　　研究人员开发了一种新的高纯度单光子源，可以在室温下工作。源是量子技术实际应用的重要一步，例如基于量子密钥分发（QKD）的高度安全通信。
　　＂我们开发了一种按需方法，可以在一个在室温下运行的可扩展便携式系统中产生具有高纯度的光子，＂澳大利亚悉尼科技大学研究小组成员Helen Zeng说。＂我们的单光子源可以推动实用QKD系统的发展，并且可以集成到各种现实世界的量子光子应用中。
　　在Optica Publishing Group期刊 Optics Letters 上，来自澳大利亚新南威尔士大学和麦考瑞大学的Zeng及其同事描述了他们新的单光子源，并表明它在室温下每秒可以产生超过一千万个单光子。他们还将单光子源整合到一个可以执行QKD的完全便携式设备中。
　　新的单光子源独特地将称为六方氮化硼的2D材料与称为半球形固体浸入透镜的光学元件相结合，从而将光源的效率提高了六倍。
　　室温下的单光子
　　QKD通过使用光的量子特性生成用于加密和解密数据的安全随机密钥，为数据通信提供难以穿透的加密。QKD系统需要坚固而明亮的光源，这些光源以单光子串的形式发光。然而，今天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，这限制了它们的实用性。
　　虽然六方氮化硼以前曾被用于制造在室温下工作的单光子源，但直到现在，研究人员还无法实现实际应用所需的效率。＂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，＂Zeng说。＂这使得设备变得复杂，难以扩展，不容易大规模生产。
　　Zeng及其同事开始通过使用固体浸入透镜聚焦来自单光子发射器的光子来创建更好的解决方案，从而可以检测到更多的光子。这些镜头是市售的，易于制造。
　　研究人员将他们的新单光子源与定制的便携式共聚焦显微镜相结合，该显微镜可以在室温下测量单光子，从而创建了一个可以执行QKD的系统。单光子源和共聚焦显微镜安装在一个坚固的封装内，尺寸仅为500 x 500毫米，重约10公斤。该套件还设计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。
　　演示量子密码学
　　对新单光子源的测试表明，它可以实现10的单光子收集率7Hz同时保持出色的纯度 - 这意味着每个脉冲包含多个光子的可能性很低。在连续数小时的运行中，它还表现出出色的稳定性。研究人员还展示了该系统在现实条件下执行QKD的能力，表明在几公里内，具有20 MHz重复率的安全QKD是可行的。
　　现在，研究人员已经证明他们的便携式设备可以执行复杂的量子加密，他们计划在加密过程中对其鲁棒性，稳定性和效率进行进一步的测试。他们还计划使用新源在现实世界条件下进行QKD，而不是在实验室内进行QKD。＂我们现在准备将这些量子2D材料的科学进步转化为技术就绪的产品，＂领导该项目的Igor Aharonovich说。