使用基于量子点的紧凑和高速率单光子纳米器件进行量子密码学。

几十年来，科学家们一直认为牢不可破的量子加密需要完美的光源，这几乎是不可能的壮举。但一个团队已经使用微小的工程“量子点”和巧妙的新协议颠覆了剧本。

通过使不完美的光表现得更安全，他们证明了加密消息可以比以往任何时候都传播得更远、更安全。实际测试表明，他们的方法甚至优于当前最好的系统，使实用、经济实惠的量子安全通信又近了一大步。

量子加密的突破

一个物理学家团队取得了突破，可以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 Yuval Bloom 和 Yoad Ordan 领导，在希伯来大学拉卡物理研究所的 Ronen Rapaport 教授的指导下，与洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员合作，并发表在 PRX Quantum 上，引入了一种新的实用方法，显着改进了我们使用光粒子发送量子加密信息的方式——即使在使用不完美的设备时也是如此。

破解 40 年来的挑战

四十年来，量子密钥分发 （QKD） 的圣杯——使用量子力学创建牢不可破的加密的科学——一直取决于一个难以捉摸的要求：完美设计的单光子源。这些是微小的光源，一次可以发射一个光粒子（光子）。但在实践中，以绝对精度制造此类设备已被证明极其困难和昂贵。

为了解决这个问题，该领域严重依赖激光器，激光器更容易生产，但并不理想。这些激光器发送微弱的光脉冲，其中包含少量但不可预测的光子——这种妥协限制了安全性和数据安全传输的距离，因为智能窃听者可以“窃取”在多个光子上同时编码的信息位。

使用不完美的工具实现更好的方法

布鲁姆、奥丹和他们的团队翻转了剧本。他们没有等待完美的光子源，而是开发了两种与我们现在拥有的协议配合使用的新协议——基于量子点的亚泊松光子源，量子点是行为类似于人造原子的微小半导体粒子。

通过动态设计这些量子点的光学行为并将它们与纳米天线配对，该团队能够调整光子的发射方式。这种微调使他们能够建议并演示两种高级加密策略：

• 截断诱饵状态协议：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，可消除由于多光子事件而导致的潜在黑客攻击尝试。

• 一种广为人知的纯化协议：一种新方法，通过实时“过滤”多余的光子来显着提高信号安全性，确保仅记录真正的单光子位。

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——将安全密钥交换的距离延长了 3 分贝以上，这在该领域是一个重大飞跃。

量子网络的真实世界测试

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现实世界的量子通信装置。他们运行了著名的 BB84 加密协议（许多量子密钥分发系统的支柱）的新强化版本，并表明他们的方法不仅可行，而且优于现有技术。

更重要的是，他们的方法与广泛的量子光源兼容，有可能降低大规模部署量子安全通信的成本和技术障碍。

迈向经济实惠的量子安全通信

“这是朝着实用、可访问的量子加密迈出的重要一步，”Rapaport 教授说。“这表明我们不需要完美的硬件来获得卓越的性能——我们只需要更聪明地使用我们所拥有的东西。”

联合主要作者 Yuval Bloom 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。很酷的是，我们不必等待;它可以利用我们在全球许多实验室中已有的东西来实施。