德国技术大学与中科大刷新量子通信记录！
德国技术大学与中科大刷新量子通信记录！
近期，德国技术大学（DTU）与中科大在量子通信领域相继取得重大突破，为全球数据加密和网络安全带来了新的希望。
德国技术大学：100公里CV QKD技术突破
德国技术大学研究团队通过使用连续变量量子密钥分发（CV QKD）技术，在创纪录的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，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。
量子计算机对当前基于算法的加密技术构成潜在威胁。尽管目前量子计算机尚未发展到足以解密这些加密算法的水平，但科技界普遍认为，量子计算机实现这一目标只是时间问题。一旦量子计算机破解了最强大的加密算法，所有通过互联网传输的数据都将暴露无遗，这推动了基于量子物理原理的新型加密技术的快速发展。
然而，要实现这一点，研究人员必须解决量子力学的一个核心问题：如何确保在较长距离上保持信息的一致性。直到现在，连续变量量子密钥分发技术主要在较短距离内展现出了其效能。
“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。”
他与德国技术大学的研究团队共同的目标是，能够利用互联网在全球范围内分发量子加密信息。
当数据从A点发送到B点时，确保其安全性至关重要。加密技术通过结合使用与发送方和接收方共享的安全密钥，确保只有这两方可以访问数据。在数据传输过程中，密钥的保密性是至关重要的；一旦第三方获取到密钥，加密便被破解。因此，安全地交换密钥对于数据加密来说是基础而关键的步骤。
量子密钥分发（QKD）是一种处于研究前沿的技术，专注于通过量子机制安全地交换加密密钥。这项技术依赖于量子力学的原理，使用被称为光子的量子粒子发射的光束来保障密钥交换的安全性。
通过发送编码在光子上的信息，发送方和接收方能够利用光子的量子性质创建一个独特的共享密钥。任何试图观察或测量这些量子态光子的行为都会立即改变光子的状态，从而仅通过信号的干扰来实现测量。
“量子态无法被复制，这就像尝试复制一张A4纸一样不可能。任何复制尝试都会产生质量低下的副本，这就是密钥无法被复制的原因。”盖林解释道，“这种特性可以有效保护健康记录、金融系统等关键基础设施不受黑客攻击。”
连续变量量子密钥分发（CV QKD）通过利用光子的量子状态来生成无法被破解的密钥，为数据加密提供了安全密钥分发的高级方法。任何拦截尝试都会本质上改变光子的量子状态，从而保证密钥的安全，防止数据被窃听。这一机制对于维护数据传输的完整性、保护敏感信息至关重要。
“这项技术的一个优点是，它允许我们建立一个与现有光通信系统相似的结构。”盖林评价说。
光通信，互联网的基石，通过在光导纤维中传输红外光来发送数据。这些纤维像是布置在电缆中的导光板，确保我们能够在全球范围内传输数据。使用光纤电缆，数据可以更快、更远地传输，且光信号相对不易受到干扰（或称噪声）。
“这是一种久经检验的标准技术。因此，我们不需要发明新技术就可以使用它来分发量子密钥，并且它能显著降低实施成本。此外，我们能在室温下操作。”盖林补充说：“尽管CV QKD技术在较短距离上效果更佳，我们的目标是延长这一距离。而100公里的实现正是向正确方向迈出的一大步。”
德国技术大学副教授托比亚斯·盖林（Tobias Gehring）强调，本项目旨在利用互联网推动全球范围内的量子加密信息传播。项目的成败关键在于是否能够解决在远距离传输量子态时遇到的光子损耗和其他挑战。
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。
中科大：833公里光纤量子密钥分发新纪录
中国科大郭光灿院士领导的中国科学院量子信息重点实验室在量子密钥分发的研究方面取得重要进展。该实验室的韩正甫教授及其合作者王双、银振强、何德勇、陈巍等实现了830公里光纤信道量子密钥分发，将安全传输距离的世界纪录提升了200余公里，向实现千公里陆基量子保密通信迈出了重要的一步。相关研究成果于1月17日在线发表在国际知名学术期刊《Nature Photonics》上。
量子密钥分发基于量子物理的原理，在信息论安全的层面上提供了窃听可感知的密钥分发手段。光量子是量子信息的天然载体，但是线路中不可避免的损耗限制了量子密钥分发的安全距离，也是制约广域量子保密通信网络部署和应用的关键因素之一。因此，如何延长光量子密钥分发直接传输的安全距离，成为了当前极具挑战的难点和焦点之一。
2018年提出的双场协议突破了原有的理论极限，但其理论的完善和实验技术的开拓极具挑战性。郭光灿、韩正甫研究组在2019年首先提出了免相位后选择的双场类协议（Physical Review Applied, 11, 034053(2019)），并首次在300公里光纤信道中验证了此类协议的可行性（Physical Review X, 9, 021046(2019)）。
图1. 郭光灿、韩正甫团队成果与国内外其他团队成果的对比
经过2年多的探索，郭光灿、韩正甫团队提出了改进的四相位调制双场协议，并进一步提升了独立光源的锁相稳频技术、高带宽信道相位补偿技术、以及高信噪比的单光子探测信号甄别技术等关键技术，将光纤双场量子密钥分发的安全传输距离延长至830公里以上。相比于国内外其他研究团队的工作，该成果不仅将传输距离从五、六百公里大幅提升至八百余公里，而且将安全码率提升了50～1000倍，为实现千公里量级陆基广域量子保密通信网络迈出了重要的一步。
王双教授、银振强教授是该工作的共同第一作者，何德勇高级工程师、陈巍研究员和韩正甫教授是该工作的共同通讯作者。该成果的合作单位还包括亨通光电、上海大学和俄罗斯Scontel公司等。这项工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院、教育部和安徽省的资助。
南京大学：全球首例无人机量子密钥分发
南京大学谢臻达、龚彦晓、祝世宁团队与中国科学技术大学郭光灿、韩正甫团队的银振强教授、王双教授、陈巍教授合作，在国际上率先完成基于无人机平台的量子密钥分发实验，证明了利用无人机等移动平台能够完成实用化的光量子信息任务。在该项研究中，团队自主研发了集成化量子密钥分发系统、全自动小型化高精度跟踪瞄准系统和运动状态下的偏振控制系统，搭载于自主研发的小型多旋翼无人机平台，完成了空地之间的量子密钥分发，安全密钥生成速率达到8 kbps。
量子信息传输的最终目标是直接用量子态传输信息，现阶段人们能够实现的是通过量子密钥分发（Quantum key distribution，QKD），利用量子方法实现信息加密传输。此前，量子密钥分发已经通过光纤和卫星作为载体获得实验验证，并逐步走向实用。但是量子密钥分发的实际应用迫切需要将单光子直接传输到终端用户的能力，这有赖于移动平台量子网络的实现。南京大学团队曾在国际上率先提出利用无人机等移动平台构建量子网络的构想，并先后完成了基于无人机的纠缠光子分发（Natl. Sci. Rev. 2020, 7, 921）与光学中继纠缠分发（Phys. Rev. Lett. 2021, 126, 020503）的实验验证，这些工作证明通过无人机进行量子态传输是可行的，但是基于无人机移动平台的量子密钥分发尚待实验验证。
想要基于无人机移动平台实现量子密钥分发，系统的重量、体积、稳定性等方面面临多项技术挑战。研究者们通过若干核心技术的原创设计与研发成功解决了所有挑战，实现了首例无人机与地面站之间的量子密钥分发，实验的流程见图1。
图1 基于无人机的量子密钥分发示意图
研发的核心技术与系统包括：
（1）集成化量子密钥分发系统
该系统主要由一对可机载QKD发射模块与便携式QKD接收模块组成。不同于常规的桌面级系统，该系统中的重要光学元件均采用微光学技术研发，并与相关控制电学元件封装在同一个PCB板之上。封装后的发射模块体积仅179×179×60 mm3，重量1.5 kg。
（2）全自动自由空间跟踪瞄准系统
该系统由一对收发一体的捕获、指向和跟踪（acquisition, pointing, and tracking，APT）系统组成，可以在自由空间实现光学信号从单模光纤到单模光纤的低损耗传输，系统重量仅5 kg。此外，系统还集成了惯性测量模块和实时动态定位模块，能够在30秒内完成目标的全自动捕获与跟瞄。
（3）运动过程中的偏振控制技术
面向移动平台偏振编码量子密钥分发的应用需求，研究者们通过在无人机端引入额外的保偏光纤路径，利用混合编码的方案发展了全套无需实时校准的动中通偏振控制与保持技术。完整光路设计见图2。
图2 基于无人机的量子密钥分发光路图
利用上述核心系统与技术，研究人员最终在相距200米的无人机与地面站之间建立了一条低损耗、高保真的光量子链路（链路损耗约9 dB），并在夜晚和照度低于3000 lx的白天成功实现了量子密钥分发实验演示，见图3。夜晚实验采集时间400秒，平均安全密钥生成率 >8 kbps，平均误码率约2.28%。白天实验采集时间200秒，平均安全密钥生成率 >6 kbps，平均误码率约3.86%，见图4。实验结果证实了利用无人机平台实现实用化光量子信息任务的可行性与可靠性。
图3 实验中的无人机照片
图4 夜晚与白天的量子密钥分发结果
在本项工作中，研究者们自主研发了多项核心技术，实现了首例无人机和地面站之间的量子密钥分发实验演示。利用研发的收发一体APT技术，可以轻松的实现节点间分发距离、移动节点数量等重要指标的提升，用于实现具有复杂拓扑结构的局域量子密钥分发网络。未来，通过进一步的技术发展，有望基于固定翼高空无人机实现广域量子密钥分发，实现全时全方位覆盖的移动量子互联。相关研究成果以“Experimental demonstration of drone-based quantum key distribution” 为题发表于《Physical Review Letters》杂志上。
南京大学电子科学与工程学院博士后田晓慧和物理学院博士生杨然为该论文的共同第一作者，南京大学物理学院刘华颖研究员、龚彦晓教授和电子科学与工程学院谢臻达教授为论文的共同通信作者，中国科学技术大学银振强教授、王双教授、陈巍教授和南智芯链科技（湖州）有限公司参与了该工作，南京大学祝世宁教授在该工作开展的全过程给与了重要指导。这项研究得到了国家自然科学基金项目、国家重点研发计划、江苏省前沿引领技术基础研究专项、南京大学卓越计划、江苏省卓越博士后计划等项目的支持。
论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.133.200801
这些突破不仅展示了量子通信技术在不同应用场景下的巨大潜力，也为未来构建更加安全的全球通信网络奠定了重要基础。随着技术的不断进步，我们有理由相信，量子通信将在不久的将来为我们的生活带来革命性的变化。