澳大利亚的一个研究小组开发了一种新的高纯度单光子源，它可以在室温下工作。这种单光子源是迈向量子技术实际应用的重要一步，例如基于量子密钥分发(QKD)的高度安全的通信。

来自悉尼科技大学的该小组成员Helen Zeng说：“我们开发了一种按需生成的方法，可以在室温下运行的可扩展便携式系统中生成高纯度光子。我们的单光子源可以推动实用QKD系统的开发，并可以集成到各种现实世界的量子光子应用中。”

在最近的《Optics Letters》期刊中，Helen Zeng及其同事描述了他们的新单光子源，并表明它在室温下每秒可以产生超过一千万个单光子。他们还将这种单光子源整合到了可以执行QKD的便携式设备中。

新的单光子源独特地将一种被称为六方氮化硼的二维材料与一种称为半球形固体浸没透镜的光学元件结合在一起，这种方法将单光子源的效率提高了六倍。

QKD通过使用光的量子特性生成用于加密和解密数据的安全随机密钥，能为数据通信提供不可穿透的加密。QKD系统需要以单光子串的形式发射强大而明亮的光源。然而，今天的大多数单光子源性能不佳，除非在低于零下数百度的低温下运行——这限制了它们的实用性。

尽管六方氮化硼以前曾被用于制造在室温下工作的单光子源，但在此之前，研究人员还未能达到实际应用所需的效率。Zeng说：“用来改进六方氮化硼单光子源的大多数方法都依赖于精确的定位发射器或使用纳米技术制造。这使得这些设备变得复杂、难以扩展并且不容易大规模生产。”

Zeng和他的同事着手创造一个更好的解决方案，他们使用固体浸没透镜来聚焦来自单光子发射器的光子，从而可以检测到更多的光子。这些镜片是市面上在售的、并且容易制造的产品。

研究人员将他们的新单光子源与定制的便携式共聚焦显微镜相结合，这种显微镜可以在室温下测量单个光子。此外，他们还创建了一个可以执行QKD任务的系统。单光子源和共聚焦显微镜安装在一个坚固的封装箱内，尺寸仅为500x500毫米，重约10公斤。该封装箱还设计了用于处理振动和杂散光的功能。

Zeng说：“我们的流线型设备比传统的光学平台装置更易于使用，而且体积更小，传统光学平台装置通常会占用整个实验室。这种优势允许该系统与一系列量子计算方案一起使用。它也可以适应在现有的电信基础设施中。”

研究人员对新单光子源的测试表明，它可以实现10⁷Hz的单光子收集率，同时保持出色的纯度——这意味着每个脉冲里包含多个光子的概率很低。它还在连续运行数小时后表现出卓越的稳定性。研究人员展示了该系统在现实条件下执行QKD任务的能力，表明其具有20MHz的重复率且在几公里内的安全QKD是可行的。

既然研究人员已经证明他们的便携式设备可以执行复杂的量子密码学，所以他们计划在加密期间对其鲁棒性、稳定性和效率进行进一步测试。他们还计划使用这种新源在现实条件下而不是在实验室内执行QKD。领导该项目的Igor Aharonovich说：“我们现在准备将量子二维材料的这些科学进步转化为技术就绪型产品。”（编译:Qtech）