每秒生成单光子1000万+，单光子源效率提高了六倍

光子盒研究院出品

在3月23日发表于《光学快报》(Optics Letters)的一篇论文中[1]，澳大利亚悉尼科技大学、新南威尔士大学、麦考瑞大学研究人员开发了一种新的高纯度单光子源，可以在室温下运行。该源是量子技术走向实际应用的重要一步，如基于量子密钥分发(QKD)的高度安全通信。

新的单光子源独特地将一种称为六方氮化硼的二维材料与一种称为半球形固体浸没透镜的光学组件相结合，这将光源的效率提高了六倍，即在室温下每秒钟可以生成超过1000万个单光子。他们还将单光子源集成到一个完全便携的设备中，可以进行QKD。

这篇论文的第一作者、悉尼科技大学的Helen Zeng说：“我们开发了一种按需生成高纯度光子的方法，这是一个可扩展的便携式系统，并在室温下运行。我们的单光子源可以推动实用QKD系统的发展，并可以集成到各种现实世界的量子光子应用中。”

QKD利用光的量子特性生成加密和解密数据的安全随机密钥，为数据通信提供了密不透风的加密。QKD系统需要鲁棒、明亮的光源，这些光源以一串单光子的形式发光。

然而，今天的大多数单光子源只有在零下200多℃的低温下才能正常工作，否则性能不佳，这限制了它们的实用性。

在传统BB84量子密钥分发协议中，单光子源生成编码所需的单光子。

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，研究人员还不能达到现实世界应用所需的效率。Zeng说：“大多数用于改进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，这使得装置很复杂，难以扩大规模，也不容易批量生产。”

Zeng及其同事开始创造一个更好的解决方案，使用固体浸没透镜来聚焦来自单光子发射器的光子，从而可以探测到更多的光子。这些透镜可在市场上买到，并且易于制造。

研究人员将新的单光子源与定制的便携式共焦显微镜相结合，这种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。单光子源和共焦显微镜安装在一个鲁棒的封装内，尺寸仅为500 x 500毫米，重量约为10公斤。该封装还可以处理振动和杂散光。

单光子源和共焦显微镜安装在一个鲁棒的封装内，尺寸仅为500 x 500毫米，重量约为10公斤。

Zeng说：“我们的流线型设备更易于使用，而且比传统的光学工作台装置小得多，后者通常会占用整个实验室，这使得该系统可以与一系列量子计算方案一起使用。它还可以适应现有的电信基础设施。”

研究人员对新的单光子源的测试表明，它可以实现10⁷ Hz的单光子收集率，同时保持良好的纯度——这意味着每个脉冲包含一个以上光子的概率很低。它还表现出在许多小时的连续操作中异常的稳定性。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20 MHz重复频率的安全QKD在几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密码技术，他们计划在加密过程中进一步测试其鲁棒性、稳定性和效率，并使用新的源在现实世界而非实验室的条件下执行QKD。“我们现在准备将量子二维材料的这些科学进展转化为技术成熟的产品，”领导该项目的Igor Aharonovich说。

参考链接：

[1]https://opg.optica.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-47-7-1673

[2]https://phys.org/news/2022-03-single-photon-source-paves-quantum-encryption.html

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