近日，中国科学技术大学研究人员在国际上首次实现突破弱相干态成码率极限的单光子源量子密钥分发，为探索单光子源在量子通信和量子网络中的广泛应用奠定基础。相关研究成果以“Experimental Single-Photon Quantum Key Distribution Surpassing the Fundamental Weak Coherent-State Rate Limit”为题于2025年5月29日发表在国际学术期刊《物理评论快报》杂志上，被选为编辑推荐论文 (Editors’ Suggestion)。

九章团队作为主要参与方，为该成果提供了高效量子点单光子源。基于砷化铟量子点，其单光子系统效率达71% (单光子成分超传统光源极限94%)，法布里-珀罗腔的滤波技术将多光子成分进一步压低至0.007，系统综合性能为全球顶尖水平。

首次实现突破弱相干态成码率极限的单光子源QKD

1、研究背景

量子互联网旨在连接远距离节点，实现分布式量子信息处理。量子密钥分发(QKD) 是量子互联网的重要应用之一，能够为通信提供经过严格证明的安全性。自BB84协议提出以来，QKD在传输距离和安全成码率方面取得了显著进展。

目前，QKD实验主要依赖于衰减激光光源。然而，由于衰减激光光源发出的弱相干脉冲 (WCP) 的泊松分布特性，其单光子成分的概率被限制在1/e以内，这导致了QKD系统的成码率存在一个根本的上限。

2、实验方法

与激光光源不同，半导体量子点单光子源(SPS) 能够按需发射全同单光子，并且产生多光子的概率较低，这为QKD提供了显著的优势。理想的SPS单光子概率上限为100%，理论上可以实现比WCP更高的成码率。

本研究开发了一种高效率的按需单光子源，其效率为0.71(2)，超过了相干态的1/e限制约2.87 dB。实验中采用了窄带宽滤波和随机偏振调制技术，并在实验室和城市自由空间信道中进行了QKD试验。

实验在合肥的中国科学技术大学校园内进行，通过光纤连接的两个自由空间发射点实现了209米的自由空间传输。在发射端，使用了一个耦合到可调谐平面凹面法布里-珀罗腔的单个InAs/GaAs量子点，通过脉冲激光激发量子点产生单光子。在接收端，使用了四个超导纳米线单光子探测器 (SNSPD) 来检测光子。

△上图为自由空间外场实验场景，下图为单光子源量子密钥分发实验示意图

3、实验结果

实验室实验：在不同信道损耗下，实验室测得的成码率分别为5.65×10⁻²、1.69×10⁻²、4.34×10⁻³和1.08×10⁻³比特每脉冲，分别对应0.17(7) dB、5.11(5) dB、10.15(12) dB和15.16(10) dB的信道损耗。与WCP (弱相干光) 相比，成码率提升了2.95~5.40 dB。

外场试验：在城市自由空间信道中，平均信道损耗为14.6(1.1) dB时，测得的成码率为82.0 kbps，相当于1.08×10⁻³比特每脉冲，比WCP提高了2.53 dB。

△单光子源量子密钥分发实验结果图

上述结果表明，单光子源在QKD中表现出优于弱相干光源的性能，为实现全球量子互联网迈出关键一步。

量子点单光子源助力光量子信息技术

九章团队一直在单光子源方面处于国际领先水平。早在2019年，团队就研制了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的国际最高性能单光子源，为光学量子计算奠定了坚实的科学基础。

近期，九章团队又取得量子点单光子源最新成果。在国际上首次实现效率超越可扩展线性光量子计算损失容忍阈值的高性能单光子源，相关综合指标达到了国际最先进水平，为未来实现通用光量子计算奠定了关键技术基础。相关研究成果于2025年2月28日在线发表于国际学术期刊《自然光子学》上。

该单光子源的单光子性优于98.0%，光子全同性优于98.6%，系统效率达到71.2%，提取效率达到80.6%，首次突破了2/3的损失容忍阈值，并实现了1.89 dB的强度压缩。相关综合指标达到了国际最先进水平。

凭借这一系列重大研发突破，九章团队成功地将实验室重大创新转化为实际产品。依托上述国际领先的量子点单光子源技术，我们推出了适用于量子计算、量子通信等应用领域的量子点单光子源产品。

九章量子利用超高真空、超纯材料的分子束外延和高精度微纳米加工技术制备成的确定性高品质单光子源，通过脉冲共振激发，可实现近乎完美的单光子发射。目前可提供非共振与共振两个型号：

• 高纯度：非共振型>95%，共振型 >98%

• 高全同性：非共振型>70%，共振型 >94%

• 高效率：第一透镜处收集效率>45%，重复率 >10 MHz

• 发射波长可调范围：770–800 nm / 870–930 nm

应用场景：

• 量子通信与量子密钥分发

• 光学量子计算

• 量子中继

• 量子网络构建

• 量子精密测量

• 集成光子学

• 量子随机数生成

• 光学量子信息实验，如玻色采样

• 多光子GHZ态制备

△量子点单光子源芯片

△极高的单光子纯度和全同性

目前，九章量子已成为国际上少数能够提供量子点单光子源产品的公司之一。我们提供不同规格的量子点单光子源产品，并可以根据实际应用进行定制。无论是量子计算、量子通信，还是量子精密测量，都能为您的研发提供稳定、优质的光源支持。

如需了解产品规格、测试数据或定制方案，欢迎随时与我们联系。