DOI: https://doi.org/10.1038/s41534-025-01025-w
تاريخ النشر: 2025-05-08
المؤلف: Xiao-Hai Zhan وآخرون
الموضوع الرئيسي: معلومات الكم والتشفير
الطرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون مصادر فوتونات مفردة مستقلة مُعلنة لإثبات الاتصال الكمي على مسافات طويلة تجريبيًا. تضمنت المنهجية توليد فوتونات مفردة باستخدام تقنية الإعلان، التي تضمن موثوقية مصدر الفوتون من خلال تأكيد وجود فوتون من خلال حدث اكتشاف مرتبط. شمل الإعداد التجريبي سلسلة من المكونات البصرية المصممة للتلاعب بالفوتونات ونقلها عبر مسافات كبيرة، مع الحفاظ على سلامة الحالات الكمية.
لتقييم أداء نظام الاتصال الكمي، أجرى الباحثون سلسلة من الاختبارات لتقييم المقاييس الرئيسية مثل الدقة، وكفاءة النقل، وتأثير العوامل البيئية على انتشار الفوتونات. أشارت النتائج إلى أن مصادر الفوتونات المفردة المُعلنة كانت فعالة في تحقيق نقل حالات كمية عالية الدقة عبر مسافات طويلة، مما يثبت جدوى استخدام مثل هذه المصادر في تطبيقات الاتصال الكمي العملية. تساهم النتائج في تقدم تقنيات الشبكات الكمية وتبرز الإمكانية لأنظمة الاتصال الكمي القابلة للتوسع.
النتائج
في هذا القسم، تُعرض نتائج تجربة توزيع المفاتيح الكمية المستقلة عن جهاز القياس (MDI-QKD) باستخدام طريقة الطُعم السلبية. أُجريت التجربة عبر قنوات الألياف المتماثلة بطول 0 كم، 20 كم، و50 كم، مع خسائر إضافية في الإدخال تبلغ 4.86 ديسيبل و10.12 ديسيبل للألياف الأطول. تم استخدام ما مجموعه $10^{12}$ و$10^{13}$ نبضة، مع معايرة النظام بشكل دوري لمعالجة الاستقطاب وانحرافات وقت وصول الفوتونات. تم حساب الوقت الفعال الميت للكواشف من خلال تجاهل الأحداث خلال 50 نانوثانية بعد استجابة الكشف، مما أدى إلى تقليل العدد الإجمالي للنوبات لتوليد المفاتيح.
تشير النتائج إلى أنه بالنسبة لـ $N_{\text{total}} = 10^{12}$، تم توليد مفاتيح آمنة تبلغ 186,549، 23,870، و644 بت على مسافات 0 كم، 20 كم، و50 كم، على التوالي، مما أدى إلى معدلات مفاتيح آمنة تبلغ 16.7، 2.14، و0.0578 بت في الثانية (bps). بالنسبة لـ $N_{\text{total}} = 10^{13}$، كانت المفاتيح الآمنة المقابلة 5,308,830، 1,322,529، و201,247 بت، مما أسفر عن معدلات مفاتيح تبلغ 47.6، 11.8، و1.80 bps. تتماشى النتائج بشكل وثيق مع التوقعات النظرية، حيث تظهر زيادة أحادية في احتمال اختيار قاعدة X ($p_X$) مع فقدان بصري، باستثناء نقطة تحول محددة عند 7.75 ديسيبل و13.38 ديسيبل لعدد النبضات الاثنين، على التوالي. بعد هذه النقاط التحول، توقفت مساهمة الأحداث غير المُفعلة في توليد المفاتيح، مما يبرز أهمية إدارة التقلبات الإحصائية في التجربة. يتم تقديم مزيد من التفاصيل حول معدلات الكسب والخطأ في المواد التكميلية.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون التقدم المحرز في الاتصال الكمي، مع التركيز بشكل خاص على توليد فوتونات مفردة غير قابلة للتمييز لتطبيقات مثل توزيع المفاتيح الكمية المستقلة عن جهاز القياس (MDI-QKD). يبرزون التحدي المتمثل في الحفاظ على عدم تمييز الفوتونات عبر مسافات طويلة بسبب اهتزاز الوقت الناتج عن التزامن بين العقد البعيدة، مما يمكن أن يقلل من التداخل الزمني. كانت الطرق السابقة تهدف إلى زيادة التداخل الزمني من خلال التصفية الضيقة النطاق، ولكن هذا غالبًا ما أدى إلى تقليل معدلات الفوتونات. يقترح المؤلفون نهجًا جديدًا باستخدام نبضات ليزر شائعة لتوليد فوتونات مفردة متزامنة بطبيعتها، محققين معدل تزامن يبلغ أربعة أضعاف يتجاوز الطرق السابقة بأكثر من درجتين من حيث الحجم عبر 50 كيلومترًا من نقل الألياف.
شمل الإعداد التجريبي استخدام ليزر ألياف مُقفل الوضع بشكل سلبي لإنشاء نبضات بذور، والتي تم تقسيمها وإرسالها إلى مصدرين مستقلين للفوتونات المفردة. نجح المؤلفون في إثبات رؤية عالية في اختبارات تداخل هونغ-أو-ماندل (HOM)، مما يؤكد عدم تمييز الفوتونات المُنتجة. حققوا رؤية خام تبلغ 0.822 عند متوسط عدد فوتونات يبلغ 0.028، مما يتيح تنفيذ MDI-QKD مع حالات الطُعم السلبية. تشير النتائج إلى أن نهجهم لا يعزز فقط كفاءة جمع الفوتونات ولكن أيضًا يحافظ على عدم التمييز العالي، مما يمهد الطريق لتطبيقات عملية في أنظمة الاتصال الكمي. يخلص المؤلفون إلى أن نتائجهم تمثل خطوة كبيرة إلى الأمام في هذا المجال، مع إمكانية تحقيق مزيد من التحسينات في معدلات المفاتيح الآمنة ومسافات النقل.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41534-025-01025-w
Publication Date: 2025-05-08
Author(s): Xiao-Hai Zhan et al.
Primary Topic: Quantum Information and Cryptography
Methods
In this study, the authors employed independent heralded single photon sources to experimentally demonstrate long-distance quantum communication. The methodology involved generating single photons using a heralding technique, which ensures the reliability of the photon source by confirming the presence of a photon through a correlated detection event. The experimental setup included a series of optical components designed to manipulate and transmit the photons over significant distances, while maintaining the integrity of the quantum states.
To assess the performance of the quantum communication system, the researchers conducted a series of tests to evaluate key metrics such as fidelity, transmission efficiency, and the impact of environmental factors on photon propagation. The results indicated that the heralded single photon sources were effective in achieving high-fidelity quantum state transmission over long distances, thus demonstrating the feasibility of using such sources for practical quantum communication applications. The findings contribute to the advancement of quantum networking technologies and highlight the potential for scalable quantum communication systems.
Results
In this section, the results of the Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution (MDI-QKD) experiment using a passive decoy method are presented. The experiment was conducted over symmetric fiber channels of lengths 0 km, 20 km, and 50 km, with additional insertion losses of 4.86 dB and 10.12 dB for the longer fibers. A total of $10^{12}$ and $10^{13}$ pulses were utilized, with the system calibrated periodically to address polarization and photon arrival time drifts. The effective dead time of the detectors was accounted for by discarding events within 50 ns after a detection response, leading to a reduction in the total number of pulses for key generation.
The findings indicate that for $N_{\text{total}} = 10^{12}$, secure keys of 186,549, 23,870, and 644 bits were generated at distances of 0 km, 20 km, and 50 km, respectively, resulting in secure key rates of 16.7, 2.14, and 0.0578 bits per second (bps). For $N_{\text{total}} = 10^{13}$, the corresponding secure keys were 5,308,830, 1,322,529, and 201,247 bits, yielding key rates of 47.6, 11.8, and 1.80 bps. The results align closely with theoretical predictions, showing a monotonic increase in the probability of choosing the X basis ($p_X$) with optical loss, except for a specific turning point at 7.75 dB and 13.38 dB for the two pulse counts, respectively. Beyond these turning points, the contribution of non-triggered events to key generation ceased, highlighting the importance of managing statistical fluctuations in the experiment. Further details on gain and error rates are provided in the Supplementary Materials.
Discussion
In this section, the authors discuss the advancements made in quantum communication, particularly focusing on the generation of indistinguishable single photons for applications such as measurement-device-independent quantum key distribution (MDI-QKD). They highlight the challenge of maintaining photon indistinguishability over long distances due to time jitter from synchronization between remote nodes, which can diminish temporal overlap. Previous methods aimed to increase temporal overlap through narrowband filtering, but this often resulted in reduced photon rates. The authors propose a novel approach using common laser pulses to generate intrinsically synchronized single photons, achieving a four-fold coincidence count rate that exceeds previous methods by over two orders of magnitude across 50 kilometers of fiber transmission.
The experimental setup involved using a passively mode-locked fiber laser to create seed pulses, which were then split and sent to two independent single-photon sources. The authors successfully demonstrated high visibility in Hong-Ou-Mandel (HOM) interference tests, confirming the indistinguishability of the generated photons. They achieved a raw visibility of 0.822 at an average photon number of 0.028, enabling the implementation of MDI-QKD with passive decoy states. The results indicate that their approach not only enhances the efficiency of photon collection but also maintains high indistinguishability, paving the way for practical applications in quantum communication systems. The authors conclude that their findings represent a significant step forward in the field, with potential for further improvements in secure key rates and transmission distances.