更快速地生成单光子脉冲：有望让数据传输变得绝对安全

导读

近日，英国谢菲尔德大学的研究人员解决了量子物理中的一个关键性难题，有助于让数据传输变得绝对安全。他们开发出一种生成极快的单光子光脉冲的方法。

背景

过去几十年来，采用光线沿着光纤传输数据变得日益普遍，但是目前每个脉冲含有几百万个光子。这意味着，原则上某些光子可以在不被察觉的情况下被拦截或者窃听。

虽然数据经过加密的数据相对安全，但是如果“窃听者”能够拦截含有这些编码细节的信号，从理论上讲，他们就可以访问并破解剩余的信息。原因是，如今的计算机正变得日益强大，随着超级计算机的出现，破解加密信息有可能变得更加简单。

单光子脉冲提供了全面的安全性，因为任何的窃听行为都将被立即检测到。之所以这么说，是因为单光子脉冲可以带来量子加密。量子加密，是通过量子技术来传送密钥，从根本上加强了传输密钥的安全性。

在量子加密过程中，一般会通过量子力学随机生成一个密钥。发送者A，通过极化光子，在不同方向上发送密钥；接收者B，通过量子探测器接受密钥。量子加密的优点是，如果攻击者尝试拦截A或B的信息，由于量子力学的特性（测量行为会改变测量对象），密钥本身会发生变化。

然而，科学家们一直在努力地进行技术研发，希望用足够快速的方法生成单光子脉冲，从而能以足够快的速度传输大量数据。

创新

近日，英国谢菲尔德大学（ University of Sheffield）的研究人员解决了量子物理中的一个关键性难题，有助于让数据传输变得绝对安全。团队开发出一种生成极快的单光子光脉冲的方法。每个光子代表了二进制代码的一个比特位，二进制代码是计算机的基本语言。

（图片来源：谢菲尔德大学）

发表在《自然纳米技术（ Nature Nanotechnology）》期刊上一项新的研究表明，谢菲尔德大学的团队采用了一种称为“珀塞尔效应”(Purcell effect)的现象非常快速地生成光子。

技术

一种称为“量子点”的纳米晶体，被放置到更大型晶体（半导体芯片）的腔体中。然后，这些量子点会遭到激光轰击，从而吸收能量。然后，这种能量以光子形式的发射出来。

将纳米晶体放置到非常小的腔体中，使得激光在腔体内部到处反射。这样通过珀塞尔效应会加速光子的生成。然而，其中存在一个问题，就是携带数据信息的光子会很容易变得与激光混淆。谢菲尔德大学的研究人员解决了这一问题，将腔体内蹦出的光子和进入芯片的光子分离开来，从而形成两种不同类型的脉冲。

价值

通过这种方式，团队成功地制造出比没有采用珀塞尔效应的方法快50倍的光子发射率。尽管这并不是迄今为止开发出的最快的光子光脉冲，但是它具有一种重要的优势：生成的所有光子都是相同的，这对于许多的量子计算应用来说都是必要的。

这项技术未来有望用于保障光纤通信系统的安全。谢菲尔德大学光学物理系教授 Mark Fox 表示：“采用光子传输数据，使得我们可以采用基本的量子物理定律保证安全性。任何测量或者‘读取’的行为都会改变它的特性。光子一旦受到干扰，数据将会遭到破坏并发出警报。”

他补充说：“我们的方法也解决了一个困扰科学家们约20年之久的问题，即如何采用珀塞尔效应以一种高效的方式加速光子的生成。”

关键字

光子、量子、加密、通信

参考资料

【1】https://www.sheffield.ac.uk/news/nr/faster-photons-total-data-security-1.793026

【2】Feng Liu, Alistair J. Brash, John O’Hara, Luis M. P. P. Martins, Catherine L. Phillips, Rikki J. Coles, Benjamin Royall, Edmund Clarke, Christopher Bentham, Nikola Prtljaga, Igor E. Itskevich, Luke R. Wilson, Maurice S. Skolnick, A. Mark Fox. High Purcell factor generation of indistinguishable on-chip single photons. Nature Nanotechnology, 2018; DOI: 10.1038/s41565-018-0188-x