近年来，安全和防黑客通信在工业、经济、政治甚至私人活动中变得越来越重要。然而，由于量子计算机的发展，传统的数据加密方法正在迅速失去可靠性，量子计算机能够比传统计算机更快地解密编码信息，从而带来了重大挑战。
针对这种“量子威胁”的答案是基于量子力学基本原理的加密方法的发展。其中一种技术是量子密钥分发，其中两方共享一个只有他们自己知道的密钥。该密钥可用于加密和解密通过传统通信渠道（例如广播、电视或互联网）传输的消息。
悉尼科技大学数学与物理科学学院教授 Igor Aharonovich 在一封电子邮件中解释说：“量子密钥分发是一种在发送者和接收者之间传输密钥的安全方式。”
“信息被编码在单个光粒子（单光子）中，”他继续说道。“它的安全性在于你无法克隆单个光子，因此如果通道被窃听，它将立即被检测到。量子密钥分发很重要，因为它是确保受量子物理定律保护的绝对安全连接的唯一方法。”
寻找足够的来源
第三方无法克隆其状态携带密钥信息的粒子，这是因为在不改变其状态的情况下不可能与量子粒子进行交互或测量。例如，这可能是一个偏振存在于特定状态的光子，该状态相当于基本粒子自旋状态的量子。与用作密钥的光子的任何交互都会在传输信号中引入异常，而通信双方可以轻松检测到这些异常。
为了使量子密钥分发可靠地工作，光子源一次仅发射一个光子至关重要。如果源意外地发射两个或多个处于相同状态的光子，则窃听者有机会操纵其中一个光子而不改变其他光子的状态，从而有可能获得有关通信双方不会注意到的密钥的信息。
“[实现量子密钥分发]的主要挑战是找到足够明亮的单光子源，”阿哈罗诺维奇说。“由于通信是通过光子完成的，因此你需要一个能够快速发射这些光子的源。”
2022年，研究人员提出使用一种名为六方氮化硼的类似石墨烯的晶体化合物作为这样的光子源，因为在其晶格中引入的缺陷可以导致在激光照射时发射出具有良好控制的偏振的单光子。
根据这项研究的结果，Aharonovich 和他的同事能够在实践中实现基于六方氮化硼的量子密钥分发协议，最近发表在《高级量子技术》上的一篇论文报道了这一点。
将量子密钥付诸实践
该团队建造了一个装置，其中加密信号的发送者和接收者彼此之间的距离只有几十厘米。发送者每秒可以产生数十万个光子，每个光子都携带有关量子密钥的一位信息。
该装置的关键特征之一是，由于六方氮化硼作为光子源的独特物理特性，它可以在室温下运行，这与许多替代设备不同，后者需要低温才能在良好的环境中可靠地产生单光子。受控状态。至关重要的是，其设备的所有组件（例如偏振器和信号放大器）都是价格实惠且可商用的。
“我们工作的关键新颖之处在于在室温下实现了最快、最纯净的单光子源，”阿哈罗诺维奇在总结这项研究的意义时说道。“然后我们尝试了量子密钥分发并演示了绝对安全的传输。”
作为概念验证，研究人员对玩具车的图像进行编码，使用他们的机器传输该图像，然后进行解码，从而获得原始图像和接收到的图像之间的完美匹配。
科学家们预计他们的量子密钥分发协议将在不久的将来找到实际应用，并将补充现有的加密通信线路。
“东京、剑桥、波士顿等地已经存在一些基本的量子密钥分发网络，”阿哈罗诺维奇说。“他们没有使用确定性的单光子源（像我们的那样），而是使用被过滤到单光子水平的衰减激光。
“他们有自己的优点和缺点。具有真正单光子源的量子密钥分配可以首先在大都市区域内实施，例如在首都的政府站点之间。”
阿哈罗诺维奇表示，他们计划继续改进技术，使其实际应用更加方便。例如，它们用来传输信息的光子的波长约为 645 纳米，这意味着它们存在于可见光谱中，而在现实条件下，使用更长的波长传输信息可能更方便，例如在红外范围。
“这对于将[量子密钥分配]与现有的商业通信基础设施相匹配非常重要，”阿哈罗诺维奇说。
