中国科学家实现量子密钥新突破，为未来通信安全奠定基础
中国科学家实现量子密钥新突破，为未来通信安全奠定基础
2023年，中国科学技术大学潘建伟及其同事张强、徐飞虎等科学家组成的科研团队，在国际上首次实现了设备无关量子密钥分发（DI-QKD）的原理性演示。这一突破不仅展示了中国在量子通信领域的持续领先地位，更为未来量子安全通信网络的构建奠定了重要基础。
什么是设备无关量子密钥分发？
设备无关量子密钥分发（Device-Independent Quantum Key Distribution，简称DI-QKD）是量子密钥分发技术的一种高级形式，其最大特点是能够抵御设备侧的潜在漏洞。在传统的量子密钥分发中，通信双方（通常称为Alice和Bob）需要信任所有设备的完美运行，而DI-QKD则通过贝尔不等式测试来验证量子纠缠态的真实性，从而确保即使在设备不可信的情况下也能生成安全的密钥。
DI-QKD的核心原理基于量子纠缠和贝尔不等式的验证。在量子力学中，两个纠缠的粒子无论相距多远，一个粒子的状态都会瞬间影响另一个粒子的状态。这种现象被称为“量子纠缠”，是量子通信的基础。而贝尔不等式则提供了一种检测量子纠缠是否被破坏的方法，从而确保通信的安全性。
DI-QKD的技术突破
潘建伟团队的突破在于首次在实验上实现了设备无关的量子密钥分发。具体来说，他们通过以下步骤完成了这一壮举：
量子纠缠源的制备：团队首先制备了高质量的纠缠光子对。这些光子对通过光纤分别发送给Alice和Bob。
贝尔不等式测试：Alice和Bob分别对收到的光子进行测量，并通过经典信道交换测量结果。通过统计分析这些结果，可以验证贝尔不等式是否被违反。如果贝尔不等式被违反，说明量子纠缠是真实的，从而确保了密钥的安全性。
密钥提取：在确认量子纠缠的有效性后，Alice和Bob可以通过后处理算法从测量结果中提取出安全的密钥。
这一突破的重要性在于，它首次在实验上证明了即使在设备不可信的情况下，也能实现安全的量子密钥分发。这为未来构建更安全的量子通信网络提供了重要技术支持。
国际进展与竞争
在量子密钥分发领域，中国一直走在世界前列。除了潘建伟团队的DI-QKD突破外，中国还在多个方面取得了重要进展：
标准化推进：中国主导制定了《量子密钥分发的安全要求、测试和评估方法》国际标准，为QKD产品的设计与测评提供了权威指导。
网络化部署：中国已建成多个量子通信骨干网络，如“京沪干线”等，实现了长距离的量子密钥分发。
卫星通信：中国发射了“墨子号”量子科学实验卫星，实现了基于卫星的量子密钥分发，为构建全球量子通信网络奠定了基础。
未来应用前景
DI-QKD技术的突破将为未来的量子安全通信网络带来深远影响。其主要应用场景包括：
6G通信：随着6G技术的发展，量子密钥分发有望成为未来通信网络的重要安全支撑，特别是在车联网、工业互联网等关键领域。
云计算安全：DI-QKD可以为云计算环境中的数据传输和存储提供更高层次的安全保障，满足日益增长的数据安全需求。
关键基础设施保护：对于金融、能源、国防等关键基础设施，DI-QKD能够提供长期有效的安全防护，抵御潜在的量子计算攻击。
物联网安全：随着物联网设备的普及，DI-QKD可以为海量设备提供安全的密钥分发机制，确保数据传输的安全性。
潘建伟团队的这一突破，不仅展示了中国在量子通信领域的持续领先地位，更为未来量子安全通信网络的构建奠定了重要基础。随着技术的不断成熟和成本的降低，DI-QKD有望在更多领域得到广泛应用，为数字化社会提供更高级别的安全保障。