使用电信量子点光源的120公里时段编码量子密钥分发

用物理定律守护机密

随着我们的生活日益在线化，保护敏感信息——银行资料、病历、政府数据——变得愈发重要。传统加密依赖数学难题，而强大的未来计算机，尤其是量子计算机，可能最终能攻破这些难题。这项研究探索了一条不同的道路：利用受量子物理支配的单个光子，通过原理上安全的方式生成保密密钥。

由脆弱的偏振到稳健的时间刻度

许多量子密钥分发（QKD）系统把信息编码在光的偏振上，也就是光子的电场方向。在受控实验室环境中这很有效，但真实世界的光纤网络环境复杂。温度变化、振动或玻璃中的微小缺陷会不可预测地扭曲偏振，导致错误并需要持续的主动校正。本文团队采用的是单光子的到达时间——在一个时钟周期内早到或晚到——来承载信息。所谓的时段对沿纤维的扰动不太敏感，有望实现更稳健、维护更省心的量子通信。

工作在电信波段的固态单光子源

要构建实用的远距离QKD系统，需要能通过现有电信光纤传播且损耗最小的单光子。研究者使用半导体量子点——一种嵌入纳米结构以增强亮度的人造“原子”。在脉冲激光激发下，量子点以大约1560纳米的波长发射单个光子，正好处于标准电信波段。该器件能够提供高纯度、按需发射的单光子，克服了传统“弱激光”方法的局限性；后者只是近似单光子并为窃听者留下细微漏洞。

将时间槽雕刻成量子比特

系统的核心是一条光学电路，用来分路并重组光子路径以创建明显的早到和晚到时间。一个巧妙的环形干涉仪和一个相位调制器施加受控延迟与相移，把每个光子变为三种可能的时段态之一：早脉冲、晚脉冲，或两者的量子叠加。这些态对应于标准BB84协议变体中使用的逻辑符号。在接收端，匹配的干涉仪和相位移器将到达时间转换回相同的一组态，使接收方能通过探测器的点击时刻判定发送的比特值。

跨越120公里发送量子密钥

团队将发送端（“爱丽丝”）和接收端（“鲍勃”）用最长达120公里的标准光纤连接，这与城际电信线路中使用的光纤类似。他们连续运行系统六小时，监测量子比特误码率——接收比特与发送比特不一致的频率——以及在纠错和隐私放大的处理后可提取的真正安全密钥速率。即使在最长距离下，误码率仍低于约11%，足以让已验证的安全方法起作用。系统在120公里时每光脉冲约产生2×10⁻⁷个安全比特，对应大约15比特每秒，足以用于加密文本消息并展示实际可行性。

对未来量子网络的意义

通俗地说，这个实验表明，使用基于芯片的单光子源和天然抵抗环境噪声的时序编码，可以在城市间距离上发送经证明安全的加密密钥。尽管当前的密钥速率较为有限，作者概述了明确的改进路线——更亮的光源、更低损耗的组件、更快的工作频率和更好的探测器。他们的工作首次展示了在电信波段使用确定性量子点进行的真实时段量子密钥分发，标志着迈向可以直接接入现有光纤基础设施的稳健且可扩展的量子安全网络的重要一步。

引用: Wang, J., Hanel, J., Jiang, Z. et al. Time-bin encoded quantum key distribution over 120 km with a telecom quantum dot source. Light Sci Appl 15, 126 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02205-9

关键词: 量子密钥分发, 单光子光源, 时段编码, 量子点, 电信光纤