[论文解读] Free-Space Quantum Key Distribution with Single Photons from Defects in Hexagonal Boron Nitride

Çağlar Samaner, Serkan Paçal+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2022

Quantum Information and Cryptography参考文献 52被引用 56

一句话总结

该论文首次展示了在室温下利用六方氮化硼（hBN）缺陷发射的单光子实现自由空间量子密钥分发（QKD）的原理验证。在1 MHz时钟速率下采用B92协议运行，系统实现了238 bps的安全密钥速率和8.95%的量子误码率，表明hBN缺陷是实用化QKD系统中可行且高性能的光源。

ABSTRACT

We present a proof-of-concept demonstration of free-space quantum key distribution (QKD) with single photons generated from an isolated defect in hexagonal boron nitride (hBN). The source, operating at room temperature with a 10% brightness, is integrated into a B92 protocol and a secure key rate (SKR) of 238 bps and a quantum bit error rate (QBER) of 8.95% are achieved with 1 MHz clock rate. The effect of temporal filtering of detected photons on the performance of QKD parameters is also studied. We believe that our results will accelerate the work on improving the performance of optically active defects in hBN and their use in high-performance practical QKD systems.

研究动机与目标

• 展示在室温下利用六方氮化硼（hBN）中孤立缺陷发射的单光子实现自由空间QKD。
• 在真实条件下评估基于hBN的单光子源在实用QKD系统中的性能。
• 通过检测光子的时间滤波优化安全密钥速率（SKR）和量子误码率（QBER）。
• 确立hBN作为可扩展、室温运行的量子通信光源，替代低温或复杂单光子源。

提出的方法

• 637 nm脉冲激光激发hBN中的单个缺陷，发射光通过高数值孔径显微物镜收集。
• 通过四分之一波片和偏振分束器实现偏振控制，用于态制备和测量。
• 通过哈纳里-布朗和特维斯（HBT）干涉仪测量光子相关性，确认单光子发射，测得g(2)(0) = 0.12 ± 0.03。
• 经光谱滤波和保偏处理的单光子通过单模光纤耦合进入QKD系统。
• 在1 MHz时钟速率下实现B92协议，通过时间滤波优化密钥速率和误码率。
• 在室温下对脉冲激发条件下的零声子线（ZPL）发射的亮度和纯度进行表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 hBN缺陷发射的单光子能否在室温下实现实用化的自由空间QKD？
• RQ2 在B92 QKD系统中使用基于hBN的单光子源时，可实现的安全密钥速率和量子误码率（QBER）是多少？
• RQ3 对检测光子进行时间滤波如何影响该系统中的SKR和QBER？
• RQ4 hBN缺陷的光学特性（如ZPL亮度和偏振）在多大程度上支持高性能QKD？

主要发现

• 在1 MHz时钟速率下，基于B92协议，hBN缺陷光源实现了238 bps的安全密钥速率（SKR）和8.95%的量子误码率（QBER）。
• 通过二阶相关性测量确认了发射的单光子特性，测得g(2)(0) = 0.12 ± 0.03。
• 在1.848 eV（671 nm）处的零声子线（ZPL）发射表现出强线性偏振，在偏振依赖强度测量中显示出高可见度。
• 该光源在室温下亮度为10%，在脉冲激发下饱和计数速率达到495 kHz。
• 时间滤波被证明可提升SKR并降低QBER，表明存在优化潜力。
• 缺陷表现出3.45 ns的辐射寿命，与单偶极子发射体一致，支持其在量子通信中的应用。