A proposal for a hybrid free-space optical quantum communication network with hexagonal boron nitride-based single photon sources
本文提出了一种利用基于六方氮化硼的单光子源的混合自由空间光学量子通信网络，旨在实现白昼环境下卫星到地面的量子密钥分发以及无缝的光纤集成，从而实现具有成本效益、高速率的量子互联网部署。
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我们每天使用的互联网依赖于一套数字锁，它们保护着我们的银行账户和私人信息。几十年来，这些锁一直足够强大，足以阻挡即使是最顽强的黑客。然而，科学家们预见到，被称为量子计算机的强大新型计算机即将到来，它们有能力在几秒钟内破解这些传统的锁。为了应对这一未来，研究人员正在构建一种基于物理定律而非复杂数学的新型安全系统。这种被称为量子密钥分发（quantum key distribution）的系统，利用单个光粒子来创建无法破解的代码。如果有人试图窥探这些粒子，观察行为本身就会改变它们的状态，从而立即提醒用户线路已被入侵。虽然这项技术提供了完美的安全性，但构建一个全球性的网络却极其困难。通过空气传输这些脆弱的粒子通常在白天是无法实现的，因为阳光会淹没微弱的信号；而通过玻璃电缆进行长距离传输时，它们又会逐渐衰减。
慕尼黑工业大学的一个研究小组提出了一种切实可行的方法来克服这些障碍，即结合天与地的优势：他们建议使用一种混合网络，利用卫星将量子信号跨洲传输，并通过光纤将信号传递给城市中的个人用户。其核心理念是一种由名为六方氮化硼（hexagonal boron nitride）的材料制成的特定光源，这种材料即使在恶劣环境下也能产生必要的单光粒子。通过仔细选择一种位于阳光自然间隙中的光色，研究人员绘制出了一条可以连续运行、无需昂贵大型设备的量子互联网路径。
通过空气传输量子信息的挑战在于太阳是一个非常“吵闹”的背景噪声。在白天，极度明亮的阳光会淹没探测单光粒子所需的灵敏探测器，导致通信无法进行。为了解决这个问题，研究人员研究了太阳光谱，即来自太阳的彩虹光。在这个彩虹中，存在着被称为“弗劳恩霍夫线”（Fraunhofer lines）的黑暗、狭窄的间隙，太阳在这些位置自然发射的光极少。通过将他们的系统调谐到其中一个安静的间隙中发送信号，他们可以过滤掉压倒性的阳光，清晰地“听到”微弱的量子信号。该团队利用计算机模型测试了哪些黑暗间隙效果最好。他们发现，一个与钙相关的特定谱线（位于854纳米波长处）提供了一个理想的平衡点。这个波长既足够暗，可以在白天屏蔽阳光，又足够接近光纤电缆使用的标准颜色，从而实现从天空到地面平滑的过渡。
这种波长的选择至关重要，因为它解决了“最后一公里”问题。虽然卫星可以连接跨越海洋的城市，但它们无法触及每个家庭或办公室的屋顶。向用户的最后连接必须通过已经埋在地下的人造玻璃纤维完成。大多数量子实验使用的光色在这些纤维中传输效果很差，在短短几公里后就会失去信号。然而，慕尼黑团队提出的854纳米光在标准玻璃电缆中传输得更远，仅损失少量的强度。这意味着单个地面站可以接收来自卫星的信号，然后通过现有的光纤网络将其分发给城市中的许多不同用户，而不需要每个用户都在自己的屋顶上安装昂贵的天文望远镜。对于洲际连接，卫星本身充当一个“可信节点”，这种安全上的折衷被认为是可接受的，因为卫星在太空中几乎是无法触及的，而地面站则可能在不被察觉的情况下被访问。
为了生成该系统所需的这种光，研究人员转向了一种被称为六方氮化硼的二维材料。这种材料是一种薄而平坦的晶体，可以容纳微小的缺陷（或缺失的原子），这些缺陷就像是单光粒子的完美工厂。与许多在实验室之外难以工作的光源不同，六方氮化硼中的这些缺陷极其稳固。它们可以在太空真空中工作，承受从极寒到极热的极端温度变化，并且不会随着时间的推移而快速退化。研究人员在这种材料中识别出了特定的缺陷类型，这些缺陷能自然地在所需的854纳米波长附近发射光。虽然制造这些特定缺陷具有挑战性，但团队建议使用电子束以高精度激活它们，以确保稳定供应纯净的光用于安全通信。
该提议概述了一条通往全球量子网络的现实路径。通过利用阳光中的自然静默点来过滤噪声，该系统可以在白天运行，与目前的仅限夜间系统相比，将通信可用时间增加了一倍。通过将卫星信号与光纤使用的颜色相匹配，该网络可以架起空间与用户计算机之间的桥梁，利用可信卫星节点进行长距离连接，同时通过光纤向终端用户扩展安全访问。研究人员已经在其大学校园内开始构建该光纤网络的测试版本，以证明这一概念的可行性。如果成功，这种混合方法可以加速全球量子互联网的到来，在强大的计算机出现并破解我们现有防御之前，为数字世界提供一个安全的基石。
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