近日，東芝公司歐洲分公司（下稱“東芝歐洲”）的研究人員利用量子力學(xué)原理，創(chuàng)建了一種可避免被黑客攻擊的通信系統(tǒng)。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)一條連接德國(guó)法蘭克福和德國(guó)凱爾的 254 公里商用電信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了基于相干性的雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)協(xié)議，加密密鑰分發(fā)速度達(dá)到每秒 110 比特。
研究人員表示，這是首次在商業(yè)電信網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)如此大規(guī)模的簡(jiǎn)化版量子信息交換，邁出了下一代數(shù)據(jù)安全的重要一步，代表著安全量子通信部署的重大進(jìn)展，相關(guān)論文于日前發(fā)表于Nature
中國(guó)在量子領(lǐng)域也曾產(chǎn)出不少Nature論文，中國(guó)目前在地面和衛(wèi)星上開展量子通信工作時(shí)，通常需要部署專用的適配設(shè)備。而此次東芝歐洲團(tuán)隊(duì)使用了商用電信網(wǎng)絡(luò)，并使用標(biāo)準(zhǔn)光纖來(lái)發(fā)送量子信息，無(wú)需使用超低溫冷卻設(shè)備。
研究人員認(rèn)為，雖然可以像中國(guó)團(tuán)隊(duì)那樣利用衛(wèi)星來(lái)構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)，但利用已有的光纖基礎(chǔ)設(shè)施更具成本效益。
本次成果的一個(gè)近期實(shí)際意義是，它意味著人們可以使用商業(yè)組件來(lái)實(shí)現(xiàn)更高性能的量子密鑰分發(fā)，也意味著為量子安全通信基礎(chǔ)設(shè)施的國(guó)家級(jí)乃至全球范圍部署鋪平了道路。
這一研究將基于相干性的量子通信需求與現(xiàn)有電信基礎(chǔ)設(shè)施的能力相匹配，有望推動(dòng)高性能量子網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，包括先進(jìn)量子通信協(xié)議的實(shí)施、量子中繼器、量子傳感網(wǎng)絡(luò)及分布式量子計(jì)算的構(gòu)建。
將實(shí)際量子密鑰分發(fā)實(shí)施距離延長(zhǎng)一倍
據(jù)了解，研究人員利用了量子密鑰分發(fā)（QKD，quantum key distribution）加密技術(shù)，從而能在傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中以一種不易被黑客攻擊的方式傳遞信息。
量子密鑰分發(fā)利用了一種名為量子糾纏的現(xiàn)象，量子糾纏指的是即使兩個(gè)亞原子粒子相隔甚遠(yuǎn)，它們的特性之間也可能存在關(guān)聯(lián)。
通過(guò)測(cè)量一個(gè)粒子的數(shù)據(jù)，可以推斷出另一個(gè)粒子的信息。這使得這兩個(gè)粒子能夠作為密鑰來(lái)交換編碼信息，因?yàn)橥獠咳藛T無(wú)法進(jìn)行讀取。
此次實(shí)驗(yàn)在德國(guó)法蘭克福、德國(guó)基希費(fèi)爾德和德國(guó)凱爾之間構(gòu)建了一個(gè)長(zhǎng)達(dá) 254 公里的網(wǎng)絡(luò)。其使用的設(shè)備十分簡(jiǎn)單，避免了依賴昂貴且耗能巨大的設(shè)備來(lái)控制溫度和檢測(cè)光子粒子。盡管使用精度較低的設(shè)備可能會(huì)降低通信質(zhì)量，但是這有助于構(gòu)建具備多種功能的大型量子信息系統(tǒng)。
與此同時(shí)，此次成果得益于一種可擴(kuò)展的光學(xué)相干分布方法，該方法由一種系統(tǒng)架構(gòu)以及非低溫單光子探測(cè)所支持。其中，非低溫單光子探測(cè)得到了帶外相位穩(wěn)定技術(shù)的輔助。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研究人員在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了類似中繼器的量子通信，在不使用低溫冷卻的情況下，將實(shí)際量子密鑰分發(fā)的實(shí)施距離延長(zhǎng)了一倍。
改造不理想的雪崩光電二極管
據(jù)介紹，實(shí)現(xiàn)相干或基于相位的量子通信面臨諸多挑戰(zhàn)，例如要在遠(yuǎn)距離編碼用戶之間建立共同的相位參考框架，以及需要減輕激光器和傳輸通道產(chǎn)生的相位噪聲。
為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種實(shí)用的架構(gòu)，以用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的光頻分發(fā)和協(xié)調(diào)，他們還使用了非低溫冷卻探測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)帶外相位穩(wěn)定。
在本次系統(tǒng)之中，中心節(jié)點(diǎn)通過(guò)服務(wù)光纖向發(fā)射節(jié)點(diǎn)分發(fā)兩個(gè)光頻參考信號(hào)，使它們能夠?qū)⑵浼す馄麈i定到共同的頻率參考，從而實(shí)現(xiàn)相互相位鎖定。
與使用超穩(wěn)定激光器和外腔相比，這種方法在消除激光相位噪聲方面既實(shí)用、又便宜。
為了減輕光纖產(chǎn)生的相位噪聲，研究團(tuán)隊(duì)采用了一種基于雪崩光電二極管（APD，avalanche photodiodes）監(jiān)測(cè)的單光子干涉結(jié)果的帶外相位穩(wěn)定反饋系統(tǒng)。
盡管雪崩光電二極管能夠提供基于半導(dǎo)體的單光子檢測(cè)能力，但與超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（SNSPD，superconductive nanowire single-photon detectors）相比，雪崩光電二極管的性能并不理想。
如下表所示，雪崩光電二極管具有較高的暗計(jì)數(shù)、較低的探測(cè)效率以及易受余脈沖效應(yīng)影響的特點(diǎn)。
然而，雪崩光電二極管的價(jià)格比超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器便宜一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，不僅更具實(shí)用性，且能在與電信基礎(chǔ)設(shè)施兼容的溫度環(huán)境下工作。
為此，研究人員將帶外穩(wěn)定技術(shù)與雪崩光電二極管相結(jié)合。
對(duì)于長(zhǎng)距離相干量子鏈路而言，想要在用戶之間建立共同的相位參考框架。相比協(xié)議編碼信號(hào)來(lái)說(shuō)，分配相位參考信號(hào)更加重要。
傳統(tǒng)方法采用與編碼信號(hào)同光頻的時(shí)分復(fù)用相位參考脈沖，但由于雪崩光電二極管的后脈沖效應(yīng)，這類方案無(wú)法與之兼容。
而使用相同的雪崩光電二極管來(lái)檢測(cè)強(qiáng)參考脈沖和協(xié)議編碼信號(hào)則會(huì)引入噪聲，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致編碼信號(hào)被掩蓋。
相比之下，研究團(tuán)隊(duì)的帶外穩(wěn)定技術(shù)采用不同的光頻率，進(jìn)而分別用于相位參考信號(hào)和協(xié)議編碼信號(hào)，這使得每個(gè)信號(hào)都能使用獨(dú)立的探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，從而消除了后脈沖串?dāng)_現(xiàn)象。
Alice、Bob 和 Charlie
如前所述，本次實(shí)驗(yàn)在德國(guó)進(jìn)行，期間研究人員使用了由歐洲學(xué)術(shù)網(wǎng)絡(luò) GéANT 提供的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。GéANT 是歐洲最大的研究和教育網(wǎng)絡(luò)，連接著歐洲各國(guó)的學(xué)術(shù)網(wǎng)絡(luò)，旨在為科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)等提供高速、安全的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。
此次通信鏈路跨越了德國(guó)法蘭克福和德國(guó)凱爾之間長(zhǎng)度為 254 公里距離，損耗為 56.0 分貝，中途在德國(guó)基希費(fèi)爾德設(shè)有一個(gè)中繼站，中繼站位置大約在全程的五分之三處。
這種設(shè)置形成了一個(gè)具有三個(gè)節(jié)點(diǎn)的星形量子網(wǎng)絡(luò)，研究人員將網(wǎng)絡(luò)邊緣的兩個(gè)發(fā)射器命名為 Alice 和 Bob，將一個(gè)中心中繼接收器命名為 Charlie。其中，Charlie 通過(guò)一根光纖雙工電纜與每個(gè)發(fā)射機(jī)相連。
設(shè)備被安置在托管數(shù)據(jù)中心的標(biāo)準(zhǔn)電信機(jī)架內(nèi)，與現(xiàn)有的電信設(shè)備一同運(yùn)行。
發(fā)射端為量子通信協(xié)議準(zhǔn)備了光學(xué)弱相干脈沖（WCP，weak coherent pulse）量子比特。接收端負(fù)責(zé)分發(fā)光學(xué)頻率參考信號(hào)以便確保相干性，并對(duì)來(lái)自發(fā)射端的弱相干脈沖進(jìn)行干涉操作。
每個(gè)節(jié)點(diǎn)均采用模塊化設(shè)計(jì)，配備相互連接的 19 英寸機(jī)架盒，以便增強(qiáng)與電信機(jī)架的兼容性和系統(tǒng)靈活性。
子系統(tǒng)分為三個(gè)功能層：服務(wù)層、管理層和量子層，每個(gè)層都跨越三個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中，量子層負(fù)責(zé)執(zhí)行量子通信協(xié)議。
實(shí)驗(yàn)中，所實(shí)施的具體協(xié)議是雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)的發(fā)送-非發(fā)送變體。該協(xié)議使得 Alice 和 Bob 之間能夠持續(xù)生成共享的秘密比特串，從而通過(guò)對(duì)稱密鑰加密實(shí)現(xiàn)量子安全的通信。
發(fā)射器將信息編碼在弱相干脈沖的光相位上，這些弱相干脈沖被發(fā)送至 Charlie 處并在那里發(fā)生干涉。
Charlie 使用兩個(gè)單光子探測(cè)器監(jiān)測(cè)干擾結(jié)果，并在公共通道上公布結(jié)果，即公布哪個(gè)探測(cè)器在何時(shí)被觸發(fā)的結(jié)果。
通過(guò)將公開宣布的干涉結(jié)果與自身對(duì)光學(xué)弱相干脈沖編碼的私有知識(shí)相結(jié)合，發(fā)射端能夠啟動(dòng)一種篩選程序，該程序會(huì)生成一個(gè)共享的秘密比特串。
另?yè)?jù)悉，雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)協(xié)議具有兩大核心優(yōu)勢(shì)：首先，其具備測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)性，能夠確保第三方即 Charlie 的檢測(cè)行為不會(huì)泄露密鑰信息；其次，其具備優(yōu)越的密鑰率縮放特性，即密鑰生成率（SKR，secret key rate）會(huì)隨信道損耗呈現(xiàn)平方根比例的提升。
在正式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)之前，研究團(tuán)隊(duì)使用一個(gè)模擬實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)條件的測(cè)試臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，該測(cè)試臺(tái)配備了單模光纖線軸和固定光衰減器，以便模擬已鋪設(shè)光纖的距離和信道損耗情況。
通過(guò)這些測(cè)試，研究人員得到了受控條件下的數(shù)據(jù)，以便與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行比較。
在德國(guó)部署該系統(tǒng)后，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)評(píng)估雪崩光電二極管記錄的正交偏振分量的光強(qiáng)度，來(lái)監(jiān)測(cè)已安裝光纖的偏振漂移。
與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境相比，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的偏振穩(wěn)定性更高，12 小時(shí)內(nèi)正交偏振分量的強(qiáng)度漂移極小，這主要得益于地下光纖的自然溫度穩(wěn)定性。
相比之下，實(shí)驗(yàn)室安裝的光纖雖然處于溫度受控的環(huán)境中，但由于溫度條件不夠穩(wěn)定所以波動(dòng)更大。
通過(guò)相關(guān)測(cè)試，研究人員針對(duì)偏振穩(wěn)定機(jī)制加以驗(yàn)證，他們發(fā)現(xiàn)該機(jī)制始終能在優(yōu)先選擇的偏振軸與其正交偏振軸之間保持 21 分貝的強(qiáng)度對(duì)比度。
此外，研究團(tuán)隊(duì)還解決了由光學(xué)元件通過(guò)引起的信號(hào)衰減、摻鉺光纖放大器的放大噪聲、光注入鎖定（OIL，optical injection locking）以及服務(wù)層中經(jīng)典信號(hào)的串?dāng)_問(wèn)題。
這使得本次系統(tǒng)能以 1 吉赫茲的重復(fù)頻率實(shí)現(xiàn)主動(dòng)奇偶配對(duì)發(fā)送或不發(fā)送（SNS，sending-or-not-sending）的雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)協(xié)議。
另外，光脈沖序列采用 50% 占空比的交錯(cuò)編排模式，通過(guò)密鑰生成弱相干脈沖與未調(diào)相脈沖的交替?zhèn)鬏敚M(jìn)而實(shí)現(xiàn)精密的相位穩(wěn)定。
研究中，課題組還優(yōu)化了脈沖強(qiáng)度和分布，以便在非對(duì)稱鏈路條件下實(shí)現(xiàn)密鑰生成量的最大化，以及能夠滿足非對(duì)稱協(xié)議使用中的關(guān)鍵安全條件，所得到的密鑰率如下圖所示。
這證明本次系統(tǒng)在商用電信基礎(chǔ)設(shè)施上，有效實(shí)現(xiàn)了一個(gè)不可信的量子中繼器。
在不使用量子存儲(chǔ)器或光子簇態(tài)，且所用探測(cè)器性能相當(dāng)?shù)那闆r下，只有在中央中繼站處發(fā)生干涉的信號(hào)之間保持光學(xué)相干性，才有可能突破這一限制。
而本次實(shí)驗(yàn)證明了利用光學(xué)相干性在擴(kuò)展量子通信最大距離上的優(yōu)勢(shì)。與之前的實(shí)驗(yàn)相比，本次實(shí)驗(yàn)將通信距離有效延長(zhǎng)了一倍，并將可容忍的損耗預(yù)算提高了大約三個(gè)數(shù)量級(jí)。
此次實(shí)驗(yàn)獲得的密鑰生成率不僅足以支持關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸所需的低速率一次性密碼本加密，更能滿足每數(shù)秒刷新一次 AES-256 密鑰的需求，這一性能指標(biāo)完全超過(guò)了商用現(xiàn)成 AES 加密器的運(yùn)行要求。（注：AES 是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院認(rèn)證的對(duì)稱加密算法，支持 128/192/256 位密鑰長(zhǎng)度，如 AES-256。）
通過(guò)使用熱電冷卻器將雪崩光電二極管冷卻至-30攝氏度以下，可以大幅擴(kuò)展系統(tǒng)的探測(cè)范圍。
此前，低溫冷卻點(diǎn)對(duì)點(diǎn)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的全球最高紀(jì)錄是 71.9 分貝鏈路損耗，而本次進(jìn)展有望超越這一紀(jì)錄。
與此同時(shí)，本次系統(tǒng)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并將探測(cè)器設(shè)置在中心節(jié)點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)的好處在于，只需添加連接到該中心樞紐的發(fā)射端，就能輕松實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。
總的來(lái)說(shuō)，此次工作證明了基于相干的量子通信與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的兼容性，以及在商業(yè)網(wǎng)絡(luò)上部署有效量子中繼器的可能性。
研究人員還利用非制冷探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了量子密鑰分發(fā)的最長(zhǎng)傳輸距離，并構(gòu)建了遠(yuǎn)距離的星形量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。
本次成果證明，真實(shí)世界中電信中心的環(huán)境條件與實(shí)驗(yàn)室中模擬的環(huán)境條件相當(dāng)，甚至前者還要更好。這為相干量子通信設(shè)備的進(jìn)一步商業(yè)化和制作原型提供了有利條件。
與此同時(shí)，這一成果通過(guò)高度不對(duì)稱的國(guó)家級(jí)范圍鏈路驗(yàn)證，為實(shí)現(xiàn)高性能、實(shí)用化的量子通信與量子網(wǎng)絡(luò)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
參考資料：
Pittaluga, M., Lo, Y.S., Brzosko, A. et al. Long-distance coherent quantum communications in deployed telecom networks.Nature640, 911–917 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08801-w
運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍
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