量子密码学基础知识
量子通信本质上指的是量子加密。而本质上，量子加密利用了两种量子效应。
其中较简单的方法是基于量子效应的统计性质。例如，如果激光辐射被衰减到只剩下每单位时间一个或零个光子，那么这个光信号就可以被用作随机数生成器。由于其量子性质，这种光发射在物理上被认为是不可预测的。光子序列（或包含多个光子的信号）和空隙可以轻松转换为随机数。其他量子效应也可以完成此功能。
纠缠是一种更复杂的效应。要理解纠缠，关键是要知道某些量子效应会产生两个具有确定关系的光子，例如垂直偏振态。这个量子效应的奇特之处在于，直到测量其中一个光子的状态之前，两个光子的确切状态都是未定义的。如果测量一个光子的状态，另一个光子的状态会瞬间固定。2022年诺贝尔物理学奖授予了三位实验上证明了这种行为的科学家。
至于密码学，其好处似乎很简单：纠缠光子只能被测量一次。有效地，第三方恶意方无法观察到这种效应，因为它会破坏纠缠。还值得注意的是，其他量子系统，具有不同的物理特性，并且有时具有更多的状态，也表现出类似的行为。
纠缠光子（或其他任何纠缠的量子实体）的问题在于其难以捉摸的性质。例如，单光子的测量早已在显微镜中进行，但噪声仍然是一个挑战。单光子的生成更是困难，特别是与触发信号相关的问题：当一对纠缠光子被任何测量所破坏时，单独的触发信号有助于作为后续过程的触发器。
通常，将两种量子通信思想结合起来可以解决这个触发问题。当纠缠光子被生成时，其中一个可以作为触发信号，而另一个则作为随机序列的一部分，成为实际的量子密钥。
单光子也不能被放大或复制；它仍然是一个。将单个光子复制成类似的“新鲜”光子不会改变任何事情。无法进行部分衰减，因此光子要么存在，要么丢失。
因此，量子信号（即单光子）可以传输的距离取决于该线路的衰减。在常规光纤中，这个值最高可达~80公里，而在没有空气阻挡的自由空间中，这个距离可能会延伸到数千公里。复制纠缠的中继器是相当大的研究热点，纠缠和/或量子存储设备也是如此。
量子密钥生成在量子通信中至关重要，因为，在大多数应用中，只要量子密钥被交换，并且之后可以使用该密钥通过传统加密算法交换大量数据，就认为是足够安全的。换句话说，如果使用纠缠光子，秘密数据的传输可以是安全的。然而，这些纠缠光子很难生成，传输过程中会遭受高损耗，并且会受到检测噪声的影响。因此，纠缠信号成功传输的速率较低，通常每秒只有几位。
无论是纠缠光子还是量子随机信号，安全的量子信号通常仅用于量子密钥的传输。在成功传输量子密钥后，真实数据被加密并通过传统连接传输。
量子密钥分发
制备随机量子态并将其发送（例如从爱丽丝到鲍勃）的方法称为制备和测量。为了确保量子密钥序列的安全和高效传输和处理，已经开发了复杂的协议。最常用的协议称为BB84，这是查尔斯·贝内特和吉勒·布劳萨在1984年提出的。该协议使用光子的偏振作为安全量子密钥传输（或传输）的量子效应。爱丽丝向鲍勃发送一系列偏振光子，基可以切换为水平/垂直（H/V）和对角线/反对角线（D/A）。为了排除窃听者，传输后实际基固定，并且传输数据的一半被丢弃。部分数据在爱丽丝和鲍勃之间进行比较，其余部分则安全地传输量子密钥。
该协议依赖的不是纠缠光子，而是来自可信源的随机生成的量子态序列，这些态作为加密密钥。这些态可能包含多个光子。虽然这使得偏振态的生成和检测更容易，但也允许窃听者从信号中剥离出单个光子。这些被称为光子数分裂攻击。
使用诱饵态的实践可以广泛抑制这一类攻击。诱饵态是在实际用于编码关键信息的信号脉冲旁边插入的不同强度的额外光子脉冲。诱饵态用于捕捉光子统计。由于窃听者无法区分信号脉冲和诱饵脉冲，任何试图干扰通信的尝试都会通过诱饵统计引入的差异而被检测到。爱丽丝和鲍勃可以比较这些统计来确定光子是否被窃听者截获。在这种情况下，他们会重复测量直到统计相等。
量子态的光子源
当贝内特和布劳萨在1984年提出他们安全量子通信的协议时，他们假设了一个微弱的、或 faint 的光子源1,2。出于商业目的，这仍然是生成量子通信信号的最流行方法。主要挑战在于创建一个可以以高速率产生不可区分的、随机偏振的光子的光源，同时保持紧凑性和能源效率。
2014年，Gwenaelle Vest和Harald Weinfurter提出了使用VCSELs来实现这一目的3。这个解决方案使得脉冲速率在吉赫范围内，使技术既紧凑又可在现场部署。
现在，德国耶拿弗劳恩霍夫应用光学与精密工程研究所（弗劳恩霍夫IOF）的一个团队开发了一种基于VCSEL概念的新光源。弗劳恩霍夫IOF研究人员的混合弱光源使用了八颗VCSEL的线性阵列，承诺在光谱和时间不可区分性、偏振质量以及实际应用中的可扩展性方面具有更高的性能。事实上，该系统是为低地球轨道卫星到光学地面站的潜在通信链路而开发的。
光子源的支柱
所开发的系统使用了在斯图加特大学开发的用于八个VCSEL的公共镓砷化物（GaAs）衬底，衬底上具有光刻结构的偏振器，能够精确生成编码偏振的光子。这使得该光源能够高效地支持BB84协议所需的四种偏振态（H/V/D/A），同时保持其超紧凑的外形。
所开发系统的主要特点之一是其光谱不可区分性，它通过衬底的温度均匀化来实现，在阵列中保持显著小于0.5 K的变化。因此，中心波长为850 nm，波长差异约为<40 pm，在半高宽处重叠超过90%。
此外，集成偏振光栅是通过电子束写入的，并且可以非常精确地对准所需方向。初步数据表明，片上偏振器在对角线方向上可以实现至少12-dB的消光比，并且在水平或垂直方向上至少可以实现20 dB。
系统架构和光学设计
八个VCSEL通道中有四个被指定用来提供诱饵状态，通过使用一个衰减器来减少这些脉冲的幅度约4 dB。这种方法增强了量子通信链的整体安全性，因为它允许系统在相同的光谱和时间条件下产生信号和诱饵脉冲。集成的数字到模拟转换进一步使激光器能够以高达5 GHz的频率驱动。预计这个信号将来自一个额外的量子随机数生成器。
光源的光学系统置于一个热膨胀系数低的KOVAR盒中。它包含一个初级准直微透镜阵列固定装置、一个诱饵态衰减器，以及另一个微透镜阵列，用于重新聚焦八束光到波导上并合并到一个输出通道。整体耦合效率在没有菲涅尔损耗的情况下为99%。1%的损耗是由于VCSEL模式耦合到波导时的剩余椭圆模不匹配，波导被一个散热器包围，自身需要一个闭-loop温度控制以避免任何额外的双折射。波导梳状器是由意大利米兰理工大学的光子与纳米技术研究所提供的，具有偏振无关性。
苏州长显