中德科研团队在量子密钥分发领域取得重大突破
中德科研团队在量子密钥分发领域取得重大突破
近日，德国技术大学（DTU）和中国科学技术大学在量子密钥分发（QKD）领域相继取得重大突破，为未来信息安全和量子通信网络的发展开辟了新的道路。
德国技术大学：100公里连续变量量子密钥分发
德国技术大学的研究团队通过使用连续变量量子密钥分发（CV QKD）技术，成功实现了量子安全密钥的分发。他们在创记录的100公里距离上成功运行了这一技术，这是迄今为止使用CV QKD方法实现的最远距离。该技术的一个优势是它能够与现有的互联网基础设施兼容，为其在提升网络安全性方面的实际应用铺平了道路。
这一成就标志着先进量子加密技术与现有互联网基础设施兼容性的重大突破，解决了量子通信领域面临的关键挑战之一：在长距离上维持量子相干性。
“我们已经实现了若干关键技术进步，特别是在减少光子在传输过程中的损失方面。在发表于《科学进展》杂志上的这项实验中，我们通过光纤成功地在100公里的距离上安全地分发了量子加密密钥。”德国技术大学的副教授托比亚斯·盖林（Tobias Gehring）表示：“这创造了新的记录。”
通过解决三个关键因素，研究团队成功延长了量子加密密钥交换的距离。首先，利用机器学习对系统中的干扰进行早期识别，有效应对了所谓的“噪声”——这可能来源于电磁辐射等，能扭曲或破坏传输中的量子态。及早发现噪声有助于更有效地降低其影响。此外，团队还提高了纠正传输过程中可能出现的错误的能力，这些错误可能由噪声、干扰或硬件缺陷引起。
“在后续的工作中，我们计划利用此技术在丹麦的各个部委之间建立一个安全的通信网络，以保障它们的通讯安全。我们也将尝试在哥本哈根和欧登塞之间生成密钥，以便那些在这两个城市设有分支的公司能够建立起量子安全的通讯线路。”盖林补充道。
中国科学技术大学：构建国际首个基于纠缠的城域量子网络
中国科学技术大学潘建伟、包小辉、张强等首次采用单光子干涉在独立存储节点间建立纠缠，并以此为基础构建了国际首个基于纠缠的城域三节点量子网络。该工作使得现实量子纠缠网络的距离由以往的几十米整整提升了三个数量级至几十公里，为后续开展盲量子计算、分布式量子计算、量子增强长基线干涉等量子网络应用奠定了科学与技术基础。相关研究成果于5月15日在线发表在国际学术期刊《自然》杂志上。
通过量子态的远程传输来构建量子网络是大尺度量子信息处理的基本要素。基于量子网络，可以实现广域量子密钥分发以及分布式量子计算和量子传感，构成未来“量子互联网”的技术基础。目前，基于单光子传输的量子密钥网络已发展成熟，而面向分布式量子计算、分布式量子传感等进一步量子网络应用，需要采用量子中继技术在远距离量子存储器间构建量子纠缠，在此基础上通过广域量子隐形传态将各个量子信息处理节点连接起来。
在此基础上，研究团队近年来在量子存储网络方向取得多项重要进展。2019年，团队通过三光子干涉，实现了实验室内三个冷原子量子存储器间的纠缠，成为首个可拓展距离的量子网络原型。2020年，团队利用量子频率转换技术将量子存储的出射光子波长由795纳米转换至1342纳米，并结合单光子锁相技术，成功实现了在实验室内经由50公里光纤连接的双节点纠缠。
为在远距离分离的独立量子存储器间建立纠缠，主要挑战在于如何控制单光子相位。基于单光子干涉的纠缠方案在纠缠速率方面有重大优势，然而实验难度非常高。纠缠过程中量子存储的控制激光、频率转换泵浦激光、长光纤信道等带来的细微相位抖动都会导致最终生成纠缠的退相干。为解决这一难题，团队设计并发展了一套非常精巧的相位控制方案：首先通过超稳腔稳频来压制控制激光线宽，其次通过光锁相环来构建读写激光间的相位关联，最后通过远程分时相位比对来构建两节点间的相位关联。采用以上相位控制技术，并利用量子频率转换，团队成功实现了相距十几千米远的量子存储器之间的纠缠。以此为基础，研究团队构建了国际上首个城域三节点量子纠缠网络。该网络可以在任意两个量子存储器节点间建立纠缠。
量子密钥分发技术的实际应用：以车联网为例
近年来，随着车联网系统中敏感数据传输量的日益增加，确保通信数据免受侵害变得至关重要。尽管现有的加密方法仍被广泛应用，但它们在理论上无法抵御量子计算的攻击，这种不安全性将在量子计算机出现后会严重影响汽车信息安全体系。
量子密钥分发技术（quantum key distribution，QKD）融合车联网的应用将对智能交通和信息网络的发展产生重大影响。一方面，量子密钥分发技术可以极大地提高车联网中信息传输的安全性，保护用户的隐私和敏感信息不被窃取；另一方面，量子密钥分发技术还可以增加信息传输过程的可靠性，减少错误的发生，提高车联网系统的整体性能和效率。
中汽研科技有限公司（简称“中汽研科技”）密码技术专家鲍越表示，量子密钥分发技术在车联网领域的应用正逢其时且意义重大。它为密码在车联网中的应用提供了全新的有力保障，极大地提高车联网中信息传输的安全性，切实保护用户的隐私和敏感信息不被窃取，这将对车联网整体信息安全态势产生深远影响。车联网行业供应链体系也需依据此加强整车及零部件产品信息安全管理和量子密码技术防护，提升产品的安全性，从而保护消费者在后量子密码时代免受网络攻击和数据泄露的风险。
未来展望：构建量子安全的互联网
随着量子计算技术的快速发展，传统加密算法面临着前所未有的挑战。量子密钥分发技术以其无条件的安全性和实时检测窃听的能力，成为了保障未来信息安全的关键技术。德国技术大学和中国科学技术大学的最新研究成果，不仅展示了QKD技术在长距离通信和网络化部署方面的可行性，更为构建下一代量子保密通信网络奠定了坚实的基础。
尽管目前QKD技术仍面临成本和技术成熟度等挑战，但随着研究的深入和商业化进程的推进，这一技术有望在未来十年内重塑网络安全格局，特别是在物联网、自动驾驶、工业互联网、医疗保健及云计算等新兴领域发挥重要作用。