德国Qube卫星成功测试量子密钥分发技术，创全球首个小型量子通信卫星里程碑
德国Qube卫星成功测试量子密钥分发技术，创全球首个小型量子通信卫星里程碑
8月16日，德国成功发射了一颗名为“Qube”的小型立方体卫星，这颗重仅3.53公斤的卫星将进行量子密钥分发（QKD）技术测试。这一突破性进展标志着全球量子通信技术迈出了重要一步。
Qube卫星由德国维尔茨堡大学远程信息学中心设计和制造，搭载了来自慕尼黑路德维希·马克西米利安大学等机构的量子密钥分发载荷。德国航天局DLR研究中心则提供了机载激光通信终端。该卫星通过SpaceX公司的“猎鹰9号”火箭成功送入预定轨道。
路德维希·马克西米利安大学实验量子物理学教授Harald Weinfurter表示，这是量子通信领域的一个重要里程碑。“到目前为止，地球轨道上还没有能够实现全球量子密钥分发的小型卫星。”他说。
德国政府机构、公司和学术界都对量子密钥分发技术表现出浓厚兴趣，因为这项技术有望为安全通信带来革命性的变化。基于卫星的量子密钥分发技术，为实现安全的全球通信带来了巨大的经济潜力。
值得注意的是，中国在量子通信领域一直走在世界前列。2016年8月16日，中国成功发射了世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”，重约640公斤。8年来，“墨子号”不断刷新量子科学研究的世界纪录，并通过连接地面光纤网络，构建了“天地一体”广域量子通信网络雏形。
德国的下一步计划是在2025年下半年发射QUBE-2，一个由六个单元组成的立方体卫星，它将配备更强大的激光有效载荷，以进一步提升量子通信的能力。此外，科研人员正在开展CubEnik研究项目，该项目计划通过两个立方体卫星的旋转接头连接，实现同时跟踪两个目标进行量子密钥分发。
与此同时，德国技术大学（DTU）的研究团队在连续变量量子密钥分发（CV QKD）技术上取得了重大突破。他们成功实现了100公里距离的量子安全密钥分发，这是迄今为止使用CV QKD方法实现的最远距离。这项技术的一个重要优势是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。
量子计算机对当前基于算法的加密技术构成潜在威胁，这种加密技术至关重要，能确保数据传输的安全，防止被窃听和监控。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。
这些进展表明，量子通信技术正在从实验室走向实际应用。德国在这一领域的持续投入和技术创新，不仅展示了其在量子科技领域的雄心，也为全球量子通信网络的构建奠定了重要基础。随着技术的不断成熟，量子密钥分发有望在未来几年内实现商业化应用，为金融、政府、医疗等领域的数据安全提供更强大的保障。