更快速地生成單光子脈衝：有望讓數據傳輸變得絕對安全！

導讀

近日，英國謝菲爾德大學的研究人員解決了量子物理中的一個關鍵性難題，有助於讓數據傳輸變得絕對安全。他們開發出一種生成極快的單光子光脈衝的方法。

背景

過去幾十年來，採用光線沿著光纖傳輸數據變得日益普遍，但是目前每個脈衝含有幾百萬個光子。這意味著，原則上某些光子可以在不被察覺的情況下被攔截或者竊聽。

雖然數據經過加密的數據相對安全，但是如果「竊聽者」能夠攔截含有這些編碼細節的信號，從理論上講，他們就可以訪問並破解剩餘的信息。原因是，如今的計算機正變得日益強大，隨著超級計算機的出現，破解加密信息有可能變得更加簡單。

單光子脈衝提供了全面的安全性，因為任何的竊聽行為都將被立即檢測到。之所以這麼說，是因為單光子脈衝可以帶來量子加密。量子加密，是通過量子技術來傳送密鑰，從根本上加強了傳輸密鑰的安全性。

在量子加密過程中，一般會通過量子力學隨機生成一個密鑰。發送者A，通過極化光子，在不同方向上發送密鑰；接收者B，通過量子探測器接受密鑰。量子加密的優點是，如果攻擊者嘗試攔截A或B的信息，由於量子力學的特性（測量行為會改變測量對象），密鑰本身會發生變化。

然而，科學家們一直在努力地進行技術研發，希望用足夠快速的方法生成單光子脈衝，從而能以足夠快的速度傳輸大量數據。

創新

近日，英國謝菲爾德大學（ University of Sheffield）的研究人員解決了量子物理中的一個關鍵性難題，有助於讓數據傳輸變得絕對安全。團隊開發出一種生成極快的單光子光脈衝的方法。每個光子代表了二進位代碼的一個比特位，二進位代碼是計算機的基本語言。

（圖片來源：謝菲爾德大學）

發表在《自然納米技術（ Nature Nanotechnology）》期刊上一項新的研究表明，謝菲爾德大學的團隊採用了一種稱為「珀塞爾效應」(Purcell effect)的現象非常快速地生成光子。

技術

一種稱為「量子點」的納米晶體，被放置到更大型晶體（半導體晶元）的腔體中。然後，這些量子點會遭到激光轟擊，從而吸收能量。然後，這種能量以光子形式的發射出來。

將納米晶體放置到非常小的腔體中，使得激光在腔體內部到處反射。這樣通過珀塞爾效應會加速光子的生成。然而，其中存在一個問題，就是攜帶數據信息的光子會很容易變得與激光混淆。謝菲爾德大學的研究人員解決了這一問題，將腔體內蹦出的光子和進入晶元的光子分離開來，從而形成兩種不同類型的脈衝。

價值

通過這種方式，團隊成功地製造出比沒有採用珀塞爾效應的方法快50倍的光子發射率。儘管這並不是迄今為止開發出的最快的光子光脈衝，但是它具有一種重要的優勢：生成的所有光子都是相同的，這對於許多的量子計算應用來說都是必要的。

這項技術未來有望用於保障光纖通信系統的安全。謝菲爾德大學光學物理系教授 Mark Fox 表示：「採用光子傳輸數據，使得我們可以採用基本的量子物理定律保證安全性。任何測量或者『讀取』的行為都會改變它的特性。光子一旦受到干擾，數據將會遭到破壞並發出警報。」

他補充說：「我們的方法也解決了一個困擾科學家們約20年之久的問題，即如何採用珀塞爾效應以一種高效的方式加速光子的生成。」

關鍵字

光子、量子、加密、通信

參考資料

【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

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