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大家能用上量子通信的日子，或許真的不遠了。

不過，先別想著它能讓你上網(wǎng)更快，它現(xiàn)在的“超能力”是制造絕對安全的“密鑰”——也就是密碼本。有了這種靠物理定律作保、誰偷看誰暴露的量子密鑰，我們的信息傳輸才能真正高枕無憂。

就在不久前，德國的科學家朝著這個目標，干了件大事：在法蘭克福和凱爾鎮(zhèn)之間，他們用253.9公里長的普通商用光纖，成功演示了這樣一次“密鑰制造”過程！

德國科學家部署的量子通信系統(tǒng) | 《自然》

跟“墨子號”量子衛(wèi)星動輒上千公里的星地傳輸，或者2021年東芝在實驗室專用光纖里創(chuàng)下的600公里記錄相比，這距離似乎不算特別突出。

沒錯，但這次實驗的真正突破，在于它的“實用性”！

這項由米爾科·皮塔盧加（Mirko Pittaluga）和他的團隊完成、并發(fā)表在頂尖期刊《自然》雜志上的成果，并沒有依賴那些極其昂貴、需要特殊條件的“實驗室裝備”，比如龐大笨重的超穩(wěn)激光器，或者需要冷卻到接近絕對零度（零下270℃左右）的超導探測器。相反，他們用非常巧妙的技術，讓脆弱的量子信號在充滿噪聲的現(xiàn)實世界光纖網(wǎng)絡中穩(wěn)定了下來。

他們使用的核心器件，比如激光器和光子探測器，更接近我們現(xiàn)有的通信設備——特別是探測器，只需要適度冷卻（比如零下幾十度，高級“冰柜”就能做到），而不需要極端低溫。

這意味著，這套系統(tǒng)的成本、體積、功耗都大大降低，更容易集成到我們現(xiàn)有的電信機房和光纖網(wǎng)絡中。

光纖管道 | FOA光纖協(xié)會

正是這種將尖端科技“拽”出實驗室、融入現(xiàn)實基礎設施的潛力，讓這項成果意義非凡。

它為未來構建更安全的網(wǎng)絡通信，甚至暢想中的量子互聯(lián)網(wǎng)、量子中繼和分布式量子計算，都鋪設了更堅實的一步。

如果這樣的技術能夠推廣，我們或許真的可以擁有理論上絕對無法被破解、無法被竊聽的安全通信方式了。

這篇論文的第一作者Mirko·Pittaluga | wave photonics

那么，這種“絕對安全”的底氣從何而來？這就要說到“量子”本身了。

“量子”，在物理學上，指的是構成物質和能量的、不可再分割的最小單元——比如，一束光里單獨的一個光子，就是一個量子。而這些微觀粒子，遵循著一套與我們宏觀世界截然不同的、甚至有些古怪的規(guī)則。

其中最關鍵的一條規(guī)則就是：對于一個脆弱的量子態(tài)，任何“偷看”（測量）的行為，都必然會干擾它，甚至改變它。這就像你試圖悄悄碰一下一個懸在半空的肥皂泡，哪怕再小心，也一定會留下痕跡，甚至可能直接讓它破掉。量子世界的粒子就是這么“敏感”和“害羞”。

正是利用了量子的這種特性，科學家設計出了量子密鑰分發(fā)（QKD）的巧妙方法。下面我們用一個簡化的故事來理解一下（別擔心會看不懂，后面還有更精簡的版本）。

隔空造“密碼本”的故事

愛麗絲（Alice）和鮑勃（Bob）住在兩個山頭，隔山相望。他們想要講些悄悄話，既嫌下山麻煩，又不愿意被偷聽，有什么好辦法呢？

上山容易下山難 | Giphy

他們十分謹慎，決定使用最靠譜的量子通信，建立一條絕對安全的通信線路。他們不需要直接用量子信號傳遞信息內容，而是要先一起“造”一個只有他倆知道的、足夠長的隨機密碼本（密鑰）。

他們倆約定，各自隨機生成一大串0和1的數(shù)字。然后，根據(jù)自己手里的數(shù)字，分別向中間山谷里的查理（Charlie）發(fā)送一連串極其微弱的“量子光脈沖”。這些光脈沖的狀態(tài)（比如光的相位，可以想象成光波的“步調”）就攜帶了他們想表達的“0”或“1”的信息。

關鍵來了：查理的任務不是去解讀這些脈沖到底代表0還是1。他只需要在他那里，讓來自愛麗絲和鮑勃的成對光脈沖相遇，看看會發(fā)生什么樣的干涉（就像兩排水波交匯）。查理只需要記錄下每次干涉的結果——比如，某個探測器亮了還是沒亮——然后把這個結果公開告訴愛麗絲和鮑勃。

聽到查理公布的結果后，愛麗絲和鮑勃比對一下自己當時發(fā)送的是什么，就能判斷這一次“脈沖相遇”是否有效。比如，可能只有當查理說“1號探測器響了”，他們才把各自對應的那個隨機數(shù)字保留下來，作為密碼本上的一位。而查理公布的其他結果，對應的數(shù)字就作廢。

這樣一來——

查理不知道密鑰：他只知道干涉結果，不知道愛麗絲和鮑勃各自發(fā)出的是0還是1，更無法拼湊出最終的密鑰。
偷聽者會被發(fā)現(xiàn)：如果有人在半路上（愛麗絲到查理，或鮑勃到查理）試圖攔截、測量這些脆弱的量子光脈沖，就一定會干擾它們的狀態(tài)。這種干擾會導致查理那邊觀測到的干涉結果發(fā)生異常，或者讓愛麗絲和鮑勃最終生成的密碼本對不上。只要他倆在生成密鑰后，隨機挑一小部分進行比對，就能立刻發(fā)現(xiàn)錯誤率是否過高。一旦發(fā)現(xiàn)異常，就說明剛才有人偷聽，這對密鑰不安全，需要立刻廢棄，重新再來一次。

在量子加密下，再怎么藏也無所遁形 | Giphy

看到了嗎？量子密鑰的安全性，不是靠數(shù)學計算的復雜性，而是靠物理規(guī)律來保證“一偷聽就暴露”。

長距離傳輸?shù)奶魬?zhàn)

不過，既然量子態(tài)這么“嬌氣”，想讓它們穿越幾百公里的光纖而不“變形”，可就太難了！

光纖本身并不是一個安靜的通道，溫度的微小變化、周圍環(huán)境的震動，都會讓光纖發(fā)生微小的拉伸或擠壓，這就會干擾在其中飛馳的光子的“步調”。如果愛麗絲和鮑勃發(fā)出的光子到達查理那里時，“步調”亂了，干涉就不會準確，密鑰也就生成不了，或者錯誤率高到無法使用。

這就是為什么長距離的光纖量子通信如此困難。以前要想實現(xiàn)幾百公里級別的傳輸，要么借助幾乎沒有干擾的太空（比如量子衛(wèi)星），要么就得在實驗室里，動用非常復雜和昂貴的設備來創(chuàng)造極其穩(wěn)定的環(huán)境，比如把探測器冷卻到接近絕對零度。

墨子號量子衛(wèi)星，能實現(xiàn)上千公里的量子通信 | 《科學》Science

而這次德國團隊的厲害之處，就在于他們找到了一種在普通、嘈雜的商用光纖里穩(wěn)定傳輸量子信號的巧妙方法。

他們的核心技術之一，叫做“離帶相位穩(wěn)定”（Off-band phase stabilization）。簡單理解，就像是在發(fā)送脆弱的“量子信號”的同時，還發(fā)送了一束能量更強、波長略有不同的“導航”或“校準”信號。

這兩束光一起在光纖里傳播，經(jīng)歷的擾動幾乎是一樣的。在接收端（查理那里），系統(tǒng)可以實時監(jiān)測這束強的“導航信號”的相位漂移了多少，然后通過一個快速反饋系統(tǒng)，反向補償這個漂移。因為量子信號和導航信號經(jīng)歷的擾動相同，補償了導航信號，也就等于間接補償了量子信號的相位漂移，讓它能保持精準的“步調”，順利完成干涉任務。