华盛顿——研究人员已经开发出一种新的高纯度单光子光源，可以在室温下工作。该光源是使量子技术迈向实际应用的重要一步，如基于量子密钥分发(QKD)的高安全性通信。
来自澳大利亚悉尼科技大学的研究团队成员Helen Zeng说:“我们开发了一种按需生成高纯度光子的方法，这种方法可以在可伸缩的、可携带的系统中，在室温下工作。”“我们的单光子光源可以推进实际QKD系统的发展，并可以集成到现实世界的各种光量子应用中。”
在期刊《Optics Letters》上，Zeng和来自澳大利亚新南威尔士大学和麦考瑞大学的同事描述了他们的新型单光子源，并表明它在室温下每秒可以产生超过1000万个光子。他们还将单光子源整合到一个可以执行QKD的完全便携设备中。
这种新型单光子光源独特之处在于，将一种叫做六方氮化硼的二维材料和一种叫做半球形固体浸没透镜的光学元件结合在一起，从而将光源的效率提高了6倍。
图1:一种可以在室温下工作的新型高纯度单光子源，为实现量子技术的实际应用迈出重要一步，例如基于量子密钥分配的高安全性通信
室温下的单光子源
QKD利用光的量子特性生成安全随机密钥对数据进行加密和解密，为数据通信提供了不可穿透的加密。QKD系统需要鲁棒性强而明亮的光源，以单光子串的形式发出光。然而，今天的大多数单光子光源都不能很好地工作，除非在零下几百度的低温下工作，这限制了它们的实用性。
尽管六方氮化硼以前曾被用于制造室温下工作的单光子源，但直到现在，研究人员还未能达到实际应用所需的效率。“大多数用于改善六方氮化硼单光子源的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，难以规模化，也不容易大规模生产。”
Zeng和他的同事们着手创造一个更好的解决方案，他们使用一个固体浸没透镜来聚焦来自单光子发射器的光子，这样就可以检测到更多的光子。这些透镜在市场上可以买到，而且很容易制造。
研究人员将他们的新型单光子光源与一个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，实现了一个可以执行QKD的系统。单光子光源和共聚焦显微镜被封装在一个坚固的封装外壳中，该封装只有500 × 500毫米，重约10公斤。该封装还可以处理振动和杂散光。
Zeng说:“我们的流线型设备使用起来更容易，而且比传统的光学仪器要小得多，而传统的光学仪器往往要占用整个实验室的空间。”这使得该系统可以用于一系列量子计算方案。它还可以适应于现有的电信基础设施。”
图2:单光子光源和共聚焦显微镜被封装在一个坚固的外壳封装中，直径只有500 × 500毫米，重约10公斤
量子密码通信实验
对这种新型单光子源的测试表明，它可以实现107Hz的单光子采集率，同时保持良好的纯度——这意味着每个脉冲包含多个光子的概率很低。它还显示了在多个小时的连续运行中的稳定性。研究人员还演示了该系统在现实条件下执行QKD的能力，证明20 MHz重复率的安全QKD在数公里范围内是可行的。
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，他们未来将对其在加密过程中的鲁棒性、稳定性和效率进行进一步测试。他们还计划在现实生活中使用新型光源来执行QKD，而不是在实验室中。“我们现在已经准备好将这些量子二维材料方面的科学进展转化为技术成熟的商业产品，”该项目的负责人Igor Aharonovich说。
