南京大學(xué)物理學(xué)院彭茹雯教授和王牧教授研究組在基于超構(gòu)表面的量子通信研究中取得重要進展，首次基于單一超構(gòu)表面實現(xiàn)多種協(xié)議量子密鑰分發(fā)。該研究組通過構(gòu)造多通道硅超構(gòu)表面，利用偏振糾纏光子對與其相互作用，同時產(chǎn)生和分發(fā)多個自旋-軌道角動量（SAM-OAM）雜化態(tài)。實驗上，他們將這些雜化態(tài)用于執(zhí)行基于BB84協(xié)議和BBM92協(xié)議的量子密鑰分發(fā)（QKD），展示了高密鑰率和低量子比特誤碼率。利用這個方案還可以設(shè)計出具有更多輸出通道的超構(gòu)表面，產(chǎn)生更多量子態(tài)，構(gòu)建支持更多用戶的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。該項研究為構(gòu)建單點至多點的量子網(wǎng)絡(luò)提供了小型化、集成化的新途徑,彰顯超構(gòu)表面在安全信息通信中的獨特能力。
量子密鑰分發(fā)對于安全信息傳送至關(guān)重要，其可以通過光子的偏振、軌道角動量或者自旋角動量與軌道角動量的組合等來實現(xiàn)。近年來人們利用傳統(tǒng)的光學(xué)元件已經(jīng)實現(xiàn)了量子態(tài)的轉(zhuǎn)化和分發(fā)，建立了用于多用戶通信的單點至多點的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。然而，隨著量子網(wǎng)絡(luò)向多用戶、多協(xié)議的方向發(fā)展，傳統(tǒng)光學(xué)元件的大量使用導(dǎo)致顯著的電磁損耗，并且光學(xué)系統(tǒng)更加龐大笨重，從而嚴(yán)重影響發(fā)展空間受限（如衛(wèi)星通信）或大規(guī)模部署（如城市量子網(wǎng)絡(luò)）的系統(tǒng)。
彭茹雯教授和王牧教授研究組長期致力于微納結(jié)構(gòu)的制備科學(xué)以及光與微納結(jié)構(gòu)的相互作用研究，特別關(guān)注超構(gòu)材料和超構(gòu)表面與光相互作用新原理及其應(yīng)用，取得一系列創(chuàng)新性成果，包括：利用噪聲工程突破超構(gòu)表面偏振復(fù)用極限【Science379,294-299(2023)】，等等。近年來他們嘗試將相關(guān)研究從經(jīng)典體系拓展至量子信息領(lǐng)域,例如,創(chuàng)新性地基于介質(zhì)超構(gòu)表面實現(xiàn)了量子糾纏態(tài)的多通道轉(zhuǎn)化與分發(fā)【PhysicalReviewLetters129,023601(2022)】等。這些工作已初步展示超構(gòu)表面在光量子信息領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
最近，該研究組考慮到超構(gòu)表面可以調(diào)控振幅、偏振、軌道角動量等多個自由度從而可以極大減少傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的體積、重量乃至能耗，首次提出并實驗實現(xiàn)基于單一超構(gòu)表面的多種協(xié)議量子密鑰分發(fā)。他們創(chuàng)新性地給出利用單一超構(gòu)表面產(chǎn)生多種SAM-OAM雜化態(tài)并執(zhí)行多種協(xié)議量子密鑰分發(fā)的原理和方案（圖1）。具體來說，當(dāng)糾纏光子對中的一個光子被發(fā)送到路徑1并與超構(gòu)表面相互作用時，光子從超構(gòu)表面的不同通道出射，并且其自旋角動量和軌道角動量受到超構(gòu)表面調(diào)控。通過精心設(shè)計超構(gòu)表面，可以產(chǎn)生多個雙光子SAM-OAM雜化態(tài)。在此基礎(chǔ)上，將所產(chǎn)生的可分離態(tài)|Ψαq?12,|Ψβp?12用于執(zhí)行基于BB84協(xié)議的量子密鑰分發(fā)；同時將所產(chǎn)生的雜化糾纏態(tài)|Ψγm?12用于執(zhí)行基于BBM92協(xié)議和E91協(xié)議的量子密鑰分發(fā)。
研究組理論設(shè)計并實驗制備出四通道硅超構(gòu)表面(尺寸為258×258μm2)，在經(jīng)典光條件下測量了每個通道的透過率、電場強度和相位分布（圖1）；然后利用該超構(gòu)表面與偏振糾纏光子對相互作用，產(chǎn)生出四個SAM-OAM雜化態(tài)，其中兩個為可分離態(tài)|Ψ112,|Ψ212，另兩個為雜化糾纏態(tài)|Ψ312,|Ψ412。通過量子態(tài)層析及最大似然估計算法，重構(gòu)出雙光子SAM-OAM雜化態(tài)的密度矩陣（圖2），結(jié)果證實了這四個雜化態(tài)的產(chǎn)生。更進一步，他們將可分離態(tài)|Ψ112,|Ψ212用于執(zhí)行BB84協(xié)議，將雜化糾纏態(tài)|Ψ312,|Ψ412用于執(zhí)行BBM92協(xié)議，均獲得了高密鑰率和低量子比特誤碼率（圖2）。實驗結(jié)果表明超構(gòu)表面能夠?qū)崿F(xiàn)多個SAM-OAM雜化態(tài)的產(chǎn)生和分發(fā)，并且可以將這些態(tài)應(yīng)用到基于BB84和BBM92協(xié)議的量子密鑰分發(fā)中。值得一提的是，該方案不僅適用于BB84和BBM92協(xié)議，還可以拓展到更多基于單光子源或者糾纏源的量子密鑰分發(fā)協(xié)議，如T12和E91協(xié)議等。此外，基于超構(gòu)表面產(chǎn)生并分發(fā)的雜化態(tài)還能應(yīng)用于量子秘密共享、量子隱形傳態(tài)等方面。
該項工作所實現(xiàn)的利用單一超構(gòu)表面實現(xiàn)多種協(xié)議量子密鑰分發(fā)的方案，在信息安全上具有重要意義。單一超構(gòu)表面支持多種量子密鑰分發(fā)（QKD）協(xié)議，使得通信系統(tǒng)可以靈活地根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、信道噪聲、攻擊威脅等動態(tài)切換協(xié)議，不受限于單一協(xié)議，提高了量子通訊系統(tǒng)靈活性和適應(yīng)性。此外，鑒于不同的QKD協(xié)議在面對不同攻擊時具有不同的優(yōu)勢，通過多協(xié)議共存和切換，可以組合各協(xié)議的強項，增加整體系統(tǒng)的安全性。不同于龐大笨重且電磁損耗大的傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)，用于實現(xiàn)多協(xié)議量子密鑰分發(fā)的超構(gòu)表面在尺寸、重量和綜合能耗等方面具有顯著優(yōu)勢，有利于構(gòu)建空間受限（如衛(wèi)星通信）或大規(guī)模部署（如城市量子網(wǎng)絡(luò)）的系統(tǒng)。
相關(guān)研究成果以“AMultichannelMetasurfaceforMultiprotocolQuantumKeyDistributions”為題,近日發(fā)表于NanoLetters。該工作由南京大學(xué)彭茹雯和王牧研究組合作完成。南京大學(xué)物理學(xué)院已畢業(yè)的江越博士是該論文的第一作者，博士生鐘瑞、碩士生張虎林、已畢業(yè)的王錚博士、博士生劉奕飛、唐文杰和王梓瑜參與了該項工作，范仁浩副教授、祁冬祥博士等也參與了部分工作。彭茹雯教授和王牧教授是該論文的通訊作者。該研究獲得國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金委的資助，同時得到南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理全國重點實驗室、物理學(xué)院、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、江蘇省物理科學(xué)研究中心等支持。
圖1.基于單一超構(gòu)表面產(chǎn)生多種SAM-OAM雜化態(tài)并用于多種協(xié)議量子密鑰分發(fā)的原理圖(左圖);
實驗制備的硅超構(gòu)表面SEM圖以及四個通道的透過率、強度分布圖和干涉圖樣等實驗結(jié)果(右圖)。
圖2.四個SAM-OAM雜化態(tài)的重構(gòu)密度矩陣(左圖);其中兩個態(tài)用于執(zhí)行BB84協(xié)議,實驗測量得到探測概率矩陣(右上圖);另外兩個態(tài)用于執(zhí)行BBM92協(xié)議,實驗測量得到探測概率矩陣(右下圖）。
文章鏈接為:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c00868?ref=pdf。
本文鏈接：http://jphkf.cn/news-8-4007-0.html南京大學(xué)利用單一超構(gòu)表面實現(xiàn)多種協(xié)議量子密鑰分發(fā)
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