Deployed entanglement-based BBM92 quantum key distribution using frequency-converted photons emitted by a quantum dot
本文展示了一个在现场部署的、基于纠缠的 BBM92 量子密钥分发系统，该系统通过 1.59 km 的光纤链路，利用结合了电信波长频率转换的高速率量子点光源，生成了能够加密彩色图像的 14.2 Mbit 安全密钥。
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在安全通信的世界中，目标是发送一条除了接收者之外任何人都无法阅读的信息，即使对方拥有想象中最强大的计算机。几十年来，这一直依赖于复杂的数学难题，这些难题虽然难以解决，但在理论上是可以被破解的。量子物理学提供了另一条路径，它基于自然界的根本法则，而非数学。它利用被称为“光子”的光微粒的奇异行为来创建秘密代码。如果间谍试图窃听，观察光线的行为本身就会改变光线，从而提醒用户线路已被入侵。这种被称为“量子密钥分发”的方法，承诺了一种由宇宙本身保证的安全水平。然而，将这一理论转化为现实世界的实用工具一直非常困难。所需的光源通常很微弱，且信号在通过承载我们互联网流量的玻璃纤维传输时会迅速衰减。
德国的一个研究小组在将这项技术应用于实验室之外方面迈出了重要一步。他们成功构建了一个系统，利用一种被称为“量子点”的微型人工原子来生成安全的秘密密钥。这个光源非常特别，因为它极其明亮且可靠，能够以每秒十亿次的速率发射出“纠缠光子对”——这种粒子无论距离多远都保持着神秘的联系。为了让这些粒子能够传播得足够远以发挥作用，团队必须解决波长问题。量子点自然发射的光色会被标准光纤电缆快速吸收。研究人员使用了一种被称为“频率转换”的巧妙技巧，将每一对光子中的其中一个改变颜色，使其变为一种能在长距离电缆中轻松传输的色调，同时仍保持两个粒子之间的特殊联系。
实验在斯图加特大学校园内进行，连接了两栋直线距离约700米的建筑。团队在两个位置之间铺设了1.59公里的光纤，创建了一个模拟城市网络的现实世界测试平台。其中一栋建筑作为发送端，安置了量子点光源和准备光信号的设备；另一栋建筑作为接收端，包含了测量到达光子的探测器和电子设备。由于光纤电缆暴露在环境中，全天的温度变化会导致光的“偏振”（即其方向）发生漂移。为了应对这一问题，团队安装了一个自动化系统，不断监测并调整光的路径，确保信号在不断变化的环境条件下保持稳定。
在连续运行了19个小时的过程中，该系统持续产生稳定的安全数据流。研究人员测量了每秒可以生成的秘密比特数，并考虑了在长距离传输光信号时不可避免会产生的误差。他们发现，该系统以每秒206比特的速度生成安全密钥。虽然这个数字与现代互联网的速度相比似乎微不足道，但从长时间来看，它代表了海量的数据；在不到一天的时间里，该系统生成了总计1420万比特的密钥。这足以对一张校园全彩图像进行加密和解密，证明了该密钥足够长、足够强，能够保护现实世界的数据。当使用未经修正的原始密钥进行解密时，图像看起来充满了错误而变得模糊不清；但当使用最终纯化后的安全密钥进行解密时，图片变得清晰完美，这证明了该系统成功地过滤掉了噪声和误差。
这次实验的成功依赖于量子点的独特属性，它就像是一个高效的纠缠光工厂。与有时会一次性发送过多光子或无法可靠产生光子的旧光源不同，这种光源既明亮又精准。通过将这种光源与能将光色转换为符合电信标准的设备相结合，团队弥合了高性能量子物理学与现有光纤网络之间的鸿沟。他们还设法让两个遥远的地点在时间上保持完美同步，通过同一根光纤发送共享的时钟信号，这对于匹配成对的光子至关重要。这项工作表明，在现实世界的环境中，利用标准电缆并应对环境变化，运行复杂的量子网络是完全可能的，而无需依赖受控的实验室环境。它预示着，构建未来全球量子互联网（届时安全通信将成为常态而非例外）的基石已近在咫尺。
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