量子突破：無法破解的密鑰用量子點傳輸超過120公里

實驗的封面亮點。嵌入光子器件中的量子點發(fā)射的單光子被耦合成光纖，并由“愛麗絲”編碼成三個不同的時間頻段量子比特。在“鮑勃”完成解密后，用戶之間共享一系列量子密鑰。圖片來源：光明：科學與應用（2026年）。DOI：10.1038/s41377-026-02205-9

基于量子點的時間分區(qū)QKD實現(xiàn)了穩(wěn)定的長距離安全通信，且性能實用。

量子密鑰分發(fā)是量子密碼學中最先進的領域，為未來的量子互聯(lián)網(wǎng)提供了根本安全的通信。固態(tài)光源如半導體量子點（SQD）因其能夠產(chǎn)生高質量的非經(jīng)典光子用于量子通信而備受關注。這些源可以支持更高的密鑰生成率，并可能支持量子中繼器的使用。

另一種有前景的方法是以光子量子比特的時序方式編碼信息，稱為時間分隔編碼，非常適合長距離通信。時間分組量子比特對通常擾亂光纖網(wǎng)絡的環(huán)境干擾具有特別的韌性。

在發(fā)表在《光：科學與應用》期刊上的一項研究中，來自德國和中國機構的國際團隊報告了首次使用按需電信半導體量子點器件實現(xiàn)時間分包量子密鑰分發(fā)的真正演示。

實驗性時間分隔量子密鑰分發(fā)裝置。激光脈沖用于激發(fā)裝載在冷卻至4K低溫的低溫容器中的量子點。發(fā)射的單光子被提取、濾波后送入編碼器，隨機編碼三個時間頻段態(tài)。時間分模量子比特在接收器裝置中由Bob解密，該裝置包括解碼器、超導納米線單光子探測器（SNSPD）和時間到數(shù)字轉換器（TDC）。FPC：光纖極化控制器;附言：可編程電源。圖片來源：光明：科學與應用（2026）。DOI：10.1038/s41377-026-02205-9

高速量子點系統(tǒng)在120公里范圍內實現(xiàn)創(chuàng)紀錄的密鑰率

研究人員利用自穩(wěn)定編碼器將電信C波段量子點的偏振單光子轉換，分別確定性和隨機地生成了三種不同的時間分槽量子比特態(tài)。在接收端，量子比特通過包含相位移器的主動穩(wěn)定干涉儀解碼，實現(xiàn)連續(xù)運行而無需手動調整。該系統(tǒng)成功通過光纖傳輸超過120公里（約75英里）的信號，同時保持穩(wěn)定性能超過6小時。

該概念驗證在使用高性能量子點源的時分區(qū)QKD系統(tǒng)中實現(xiàn)了報告的最高安全密鑰率。該裝置能以約76 MHz的工作頻率產(chǎn)生明亮、高純度的單光子。即使在120公里（約75英里）的標準光纖傳輸后，系統(tǒng)仍能將平均量子比特錯誤率保持在11%以下。在現(xiàn)實的有限密鑰條件下，它提供的平均安全密鑰率約為每秒15位，這對于加密短信等實際應用來說已足夠。

穩(wěn)定性、性能及現(xiàn)實世界量子通信影響

研究人員強調了這些結果的重要性：“Purcell增強的電信波段量子點能夠提供適合城際光纖通信的高亮度光子，使其成為集成到實用QKD系統(tǒng)的有力候選。”

“大多數(shù)現(xiàn)有基于量子點的QKD系統(tǒng)容易受到環(huán)境因素（如湍流、溫度和振動）導致實際量子通道變化的影響。這需要主動補償。相比之下，時間分槽編碼，即將量子比特編碼在單光子的時間位置，即使沒有復雜的補償協(xié)議，也能對此類通道波動提供內在穩(wěn)定性。”

實現(xiàn)了遠程安全密鑰速率。量子比特錯誤率及可實現(xiàn)的光纖距離密鑰率。結果顯示最大可實現(xiàn)的傳輸距離為127公里。圖片來源：光明：科學與應用（2026年）。DOI：10.1038/s41377-026-02205-9

他們繼續(xù)說：“該系統(tǒng)連續(xù)運行6小時，凸顯了系統(tǒng)所支持的時間分槽方案的內在穩(wěn)健性，包括薩尼亞克干涉儀（SNI）、主動反饋控制等。”

“這一結果強調了將量子點單光子源集成到穩(wěn)定且可現(xiàn)場部署的時段QKD系統(tǒng)的可行性，標志著基于固態(tài)單光子發(fā)射器的可擴展、量子安全通信網(wǎng)絡邁出的重要一步。”