南京大学利用单一超构表面实现多种协议量子密钥分发_科技快讯

南京大学物理学院的彭茹雯教授和王牧教授研究组在基于超构表面的量子通信研究中取得了重要进展。他们通过构造多通道硅超构表面，利用偏振纠缠光子对与其相互作用，同时产生和分发多个自旋-轨道角动量（SAM-OAM）杂化态。这些杂化态被用于执行基于BB84协议和BBM92协议的量子密钥分发（QKD），展示了高密钥率和低量子比特误码率。这项研究为构建单点至多点的量子网络提供了小型化、集成化的新途径，彰显了超构表面在安全信息通信中的独特能力。量子密钥分发对于安全信息传送至关重要，其可以通过光子的偏振、轨道角动量或者自旋角动量与轨道角动量的组合等来实现。然而，随着量子网络向多用户、多协议的方向发展，传统光学元件的大量使用导致显著的电磁损耗，并且光学系统更加庞大笨重，从而严重影响发展空间受限（如卫星通信）或大规模部署（如城市量子网络）的系统。该研究组创新性地提出并实验实现基于单一超构表面的多种协议量子密钥分发。他们创新性地给出利用单一超构表面产生多种SAM-OAM杂化态并执行多种协议量子密钥分发的原理和方案。当纠缠光子对中的一个光子被发送到路径1并与超构表面相互作用时，光子从超构表面的不同通道出射，并且其自旋角动量和轨道角动量受到超构表面调控。通过精心设计超构表面，可以产生多个双光子SAM-OAM杂化态，并将其应用到基于BB84和BBM92协议的量子密钥分发中。这项工作所实现的利用单一超构表面实现多种协议量子密钥分发的方案，在信息安全上具有重要意义。单一超构表面支持多种量子密钥分发（QKD）协议，使得通信系统可以灵活地根据网络环境、信道噪声、攻击威胁等动态切换协议，不受限于单一协议，提高了量子通讯系统灵活性和适应性。此外，鉴于不同的QKD协议在面对不同攻击时具有不同的优势，通过多协议共存和切换，可以组合各协议的强项，增加整体系统的安全性。该项研究获得国家重点研发计划和国家自然科学基金委的资助，同时得到南京大学固体微结构物理全国重点实验室、物理学院、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省物理科学研究中心等支持。相关研究成果已发表在NanoLetters上。