半导体单光子源实现79公里城际量子密钥分发：迈向量子互联网的关键突破

本期推荐丁飞教授团队在《Light: Science & Applications》发表的突破性研究。针对量子通信中光源性能瓶颈问题，研究人员开发了基于半导体量子点的确定性单光子源，实现了79公里真实光纤网络上高达MHz量子的密钥分发速率，为未来量子互联网基础设施奠定了技术基础。该工作被选为封面文章，并获得ERC概念验证项目支持。

　　

在构建未来量子互联网的征程中，高性能量子光源始终是制约实用化发展的核心瓶颈。传统基于非线性晶体的概率性单光子源存在效率低、噪声高等固有局限，而半导体量子点虽然实验室环境下展现出优异的单光子发射特性，却长期面临与现有光纤网络兼容性差、难以实现远距离传输的挑战。如何将实验室里的尖端技术转化为实际可用的量子通信设备，成为全球研究者亟待破解的科学难题。

正是在这样的背景下，德国莱布尼茨汉诺威大学丁飞教授团队携手斯图加特大学Peter Michler教授团队和德国联邦物理技术研究院（PTB）Stefan Kück教授团队，在《Light: Science & Applications》发表了里程碑式的研究成果。他们首次证明半导体单光子源能够实现高速率城际量子密钥分发（QKD），在真实光纤网络上创造了79公里传输距离的新纪录。

本研究采用了三项关键技术方法：首先利用分子束外延（MBE）技术生长高质量半导体量子点材料；其次通过纳米加工工艺制备微腔增强的光子芯片结构；最后采用相位编码QKD系统在汉诺威与布伦瑞克之间的已部署光纤网络上进行实地测试。研究队列包含超过79公里长度的城市间光纤基础设施。

核心研究成果

高速率城际量子密钥分发

通过优化半导体量子点单光子源的纯度、重复率和亮度，研究团队实现了每秒兆比特量级的密钥生成速率。与传统光源相比，该系统的密钥率提升了一个数量级，且误码率显著降低。

实际环境验证

不同于实验室理想条件，研究团队直接将系统部署于城市间的商用光纤网络，克服了环境振动、温度波动和光纤损耗等实际挑战，证明了技术的实用性和稳定性。

系统级集成

研究展示了从材料生长、器件制备到系统集成的完整技术链条，为后续ERC概念验证项目"ComPQT"开发即插即用式量子网络终端奠定了坚实基础。

研究结论表明，半导体量子光源已从实验室概念真正走向实用化阶段。通过微腔增强、电信波段兼容和确定性耦合等技术突破，团队实现了系统级性能的量子光源，为未来量子互联网建设提供了关键硬件支撑。特别值得关注的是，该技术路线与现有光纤基础设施完全兼容，无需重新铺设专用光纤，大幅降低了部署成本。

讨论部分进一步指出，未来研究需要重点解决三个维度的挑战：在材料层面需实现电泵浦纠缠光子源与量子存储器的接口集成；在器件层面需发展低温CMOS控制与快速前馈 multiplexing技术；在网络层面需建立相位/时间-频率稳定机制和多节点纠缠交换架构。这些技术突破将最终推动量子中继器的发展和长距离量子通信的实现。

这项研究不仅标志着半导体量子光源正式进入实用化阶段，更预示着量子互联网时代的临近。正如丁飞教授所言"per aspera ad astra"（循此苦旅，以达天际），通过攻克一个个艰难的技术挑战，人类终将建成连接全球的量子网络，开启信息安全的新纪元。