南京大学物理学院彭茹雯教授、王牧教授研究组利用单一超构表面实现多种协议量子密钥分发

　　【仪表网 研发快讯】南京大学物理学院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重要进展，首次基于单一超构表面实现多种协议量子密钥分发。该研究组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。实验上，他们将这些杂化态用于执行基于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。利用这个方案还可以设计出具有更多输出通道的超构表面，产生更多量子态，构建支持更多用户的量子密钥分发网络。该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。近年来人们利用传统的光学元件已经实现了量子态的转化和分发，建立了用于多用户通信的单点至多点的量子密钥分发网络。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。
 

　　彭茹雯教授和王牧教授研究组长期致力于微纳结构的制备科学以及光与微纳结构的相互作用研究，特别关注超构材料和超构表面与光相互作用新原理及其应用，取得一系列创新性成果，包括：利用噪声工程突破超构表面偏振复用极限【Science379,294-299(2023)】，等等。近年来他们尝试将相关研究从经典体系拓展至量子信息领域,例如,创新性地基于介质超构表面实现了量子纠缠态的多通道转化与分发【PhysicalReviewLetters129,023601(2022)】等。这些工作已初步展示超构表面在光量子信息领域的应用潜力。
 

　　最近，该研究组考虑到超构表面可以调控振幅、偏振、轨道角动量等多个自由度从而可以极大减少传统光学系统的体积、重量乃至能耗，首次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(图1)。具体来说，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。在此基础上，将所产生的可分离态|Ψαq⟩12,|Ψβp⟩12用于执行基于BB84协议的量子密钥分发；同时将所产生的杂化纠缠态|Ψγm⟩12用于执行基于BBM92协议和E91协议的量子密钥分发。
 

　　研究组理论设计并实验制备出四通道硅超构表面(尺寸为258×258μm2)，在经典光条件下测量了每个通道的透过率、电场强度和相位分布(图1)；然后利用该超构表面与偏振纠缠光子对相互作用，产生出四个SAM-OAM杂化态，其中两个为可分离态|Ψ112,|Ψ212，另两个为杂化纠缠态|Ψ312,|Ψ412。通过量子态层析及最大似然估计算法，重构出双光子SAM-OAM杂化态的密度矩阵(图2)，结果证实了这四个杂化态的产生。更进一步，他们将可分离态|Ψ112,|Ψ212用于执行BB84协议，将杂化纠缠态|Ψ312,|Ψ412用于执行BBM92协议，均获得了高密钥率和低量子比特误码率(图2)。实验结果表明超构表面能够实现多个SAM-OAM杂化态的产生和分发，并且可以将这些态应用到基于BB84和BBM92协议的量子密钥分发中。值得一提的是，该方案不仅适用于BB84和BBM92协议，还可以拓展到更多基于单光子源或者纠缠源的量子密钥分发协议，如T12和E91协议等。此外，基于超构表面产生并分发的杂化态还能应用于量子秘密共享、量子隐形传态等方面。
 

　　该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。不同于庞大笨重且电磁损耗大的传统光学系统，用于实现多协议量子密钥分发的超构表面在尺寸、重量和综合能耗等方面具有显著优势，有利于构建空间受限(如卫星通信)或大规模部署(如城市量子网络)的系统。
 

　　相关研究成果以“AMultichannelMetasurfaceforMultiprotocolQuantumKeyDistributions”为题,近日发表于NanoLetters。该工作由南京大学彭茹雯和王牧研究组合作完成。南京大学物理学院已毕业的江越博士是该论文的第一作者，博士生钟瑞、硕士生张虎林、已毕业的王铮博士、博士生刘奕飞、唐文杰和王梓瑜参与了该项工作，范仁浩副教授、祁冬祥博士等也参与了部分工作。彭茹雯教授和王牧教授是该论文的通讯作者。该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。
 

　　图1.基于单一超构表面产生多种SAM-OAM杂化态并用于多种协议量子密钥分发的原理图(左图);
 

　　实验制备的硅超构表面SEM图以及四个通道的透过率、强度分布图和干涉图样等实验结果(右图)。
 

　　图2.四个SAM-OAM杂化态的重构密度矩阵(左图);其中两个态用于执行BB84协议,实验测量得到探测概率矩阵(右上图);另外两个态用于执行BBM92协议,实验测量得到探测概率矩阵(右下图)。