近日，東芝公司歐洲分公司（下稱“東芝歐洲”）的研究人員利用量子力學原理，創建了一種可避免被黑客攻擊的通信系統。

研究團隊通過一條連接德國法蘭克福和德國凱爾的 254 公里商用電信網絡，實現了基于相干性的雙場量子密鑰分發協議，加密密鑰分發速度達到每秒 110 比特。

研究人員表示，這是首次在商業電信網絡上實現如此大規模的簡化版量子信息交換，邁出了下一代數據安全的重要一步，代表著安全量子通信部署的重大進展，相關論文于日前發表于Nature

圖 | 論文第一作者兼通訊作者米爾科·皮塔盧加（Mirko Pittaluga）

中國在量子領域也曾產出不少Nature論文，中國目前在地面和衛星上開展量子通信工作時，通常需要部署專用的適配設備。而此次東芝歐洲團隊使用了商用電信網絡，并使用標準光纖來發送量子信息，無需使用超低溫冷卻設備。

研究人員認為，雖然可以像中國團隊那樣利用衛星來構建量子網絡，但利用已有的光纖基礎設施更具成本效益。

本次成果的一個近期實際意義是，它意味著人們可以使用商業組件來實現更高性能的量子密鑰分發，也意味著為量子安全通信基礎設施的國家級乃至全球范圍部署鋪平了道路。

這一研究將基于相干性的量子通信需求與現有電信基礎設施的能力相匹配，有望推動高性能量子網絡的發展，包括先進量子通信協議的實施、量子中繼器、量子傳感網絡及分布式量子計算的構建。

（來源：東芝歐洲）

將實際量子密鑰分發實施距離延長一倍

據了解，研究人員利用了量子密鑰分發（QKD，quantum key distribution）加密技術，從而能在傳統通信系統中以一種不易被黑客攻擊的方式傳遞信息。

量子密鑰分發利用了一種名為量子糾纏的現象，量子糾纏指的是即使兩個亞原子粒子相隔甚遠，它們的特性之間也可能存在關聯。

通過測量一個粒子的數據，可以推斷出另一個粒子的信息。這使得這兩個粒子能夠作為密鑰來交換編碼信息，因為外部人員無法進行讀取。

此次實驗在德國法蘭克福、德國基希費爾德和德國凱爾之間構建了一個長達 254 公里的網絡。其使用的設備十分簡單，避免了依賴昂貴且耗能巨大的設備來控制溫度和檢測光子粒子。盡管使用精度較低的設備可能會降低通信質量，但是這有助于構建具備多種功能的大型量子信息系統。

與此同時，此次成果得益于一種可擴展的光學相干分布方法，該方法由一種系統架構以及非低溫單光子探測所支持。其中，非低溫單光子探測得到了帶外相位穩定技術的輔助。

實驗結果表明，研究人員在實際網絡環境中實現了類似中繼器的量子通信，在不使用低溫冷卻的情況下，將實際量子密鑰分發的實施距離延長了一倍。

改造不理想的雪崩光電二極管

據介紹，實現相干或基于相位的量子通信面臨諸多挑戰，例如要在遠距離編碼用戶之間建立共同的相位參考框架，以及需要減輕激光器和傳輸通道產生的相位噪聲。

為了應對這些挑戰，研究團隊開發了一種實用的架構，以用于網絡節點之間的光頻分發和協調，他們還使用了非低溫冷卻探測器來實現主動帶外相位穩定。

在本次系統之中，中心節點通過服務光纖向發射節點分發兩個光頻參考信號，使它們能夠將其激光器鎖定到共同的頻率參考，從而實現相互相位鎖定。

與使用超穩定激光器和外腔相比，這種方法在消除激光相位噪聲方面既實用、又便宜。

為了減輕光纖產生的相位噪聲，研究團隊采用了一種基于雪崩光電二極管（APD，avalanche photodiodes）監測的單光子干涉結果的帶外相位穩定反饋系統。

盡管雪崩光電二極管能夠提供基于半導體的單光子檢測能力，但與超導納米線單光子探測器（SNSPD，superconductive nanowire single-photon detectors）相比，雪崩光電二極管的性能并不理想。

如下表所示，雪崩光電二極管具有較高的暗計數、較低的探測效率以及易受余脈沖效應影響的特點。

（來源：Nature）

然而，雪崩光電二極管的價格比超導納米線單光子探測器便宜一到兩個數量級，不僅更具實用性，且能在與電信基礎設施兼容的溫度環境下工作。

為此，研究人員將帶外穩定技術與雪崩光電二極管相結合。

對于長距離相干量子鏈路而言，想要在用戶之間建立共同的相位參考框架。相比協議編碼信號來說，分配相位參考信號更加重要。

傳統方法采用與編碼信號同光頻的時分復用相位參考脈沖，但由于雪崩光電二極管的后脈沖效應，這類方案無法與之兼容。

而使用相同的雪崩光電二極管來檢測強參考脈沖和協議編碼信號則會引入噪聲，進而會導致編碼信號被掩蓋。

相比之下，研究團隊的帶外穩定技術采用不同的光頻率，進而分別用于相位參考信號和協議編碼信號，這使得每個信號都能使用獨立的探測器進行探測，從而消除了后脈沖串擾現象。

Alice、Bob 和 Charlie

如前所述，本次實驗在德國進行，期間研究人員使用了由歐洲學術網絡 GéANT 提供的網絡基礎設施。GéANT 是歐洲最大的研究和教育網絡，連接著歐洲各國的學術網絡，旨在為科研機構和大學等提供高速、安全的網絡基礎設施。

此次通信鏈路跨越了德國法蘭克福和德國凱爾之間長度為 254 公里距離，損耗為 56.0 分貝，中途在德國基希費爾德設有一個中繼站，中繼站位置大約在全程的五分之三處。

這種設置形成了一個具有三個節點的星形量子網絡，研究人員將網絡邊緣的兩個發射器命名為 Alice 和 Bob，將一個中心中繼接收器命名為 Charlie。其中，Charlie 通過一根光纖雙工電纜與每個發射機相連。

設備被安置在托管數據中心的標準電信機架內，與現有的電信設備一同運行。

（來源：Nature）

發射端為量子通信協議準備了光學弱相干脈沖（WCP，weak coherent pulse）量子比特。接收端負責分發光學頻率參考信號以便確保相干性，并對來自發射端的弱相干脈沖進行干涉操作。

每個節點均采用模塊化設計，配備相互連接的 19 英寸機架盒，以便增強與電信機架的兼容性和系統靈活性。

子系統分為三個功能層：服務層、管理層和量子層，每個層都跨越三個節點。其中，量子層負責執行量子通信協議。

實驗中，所實施的具體協議是雙場量子密鑰分發的發送-非發送變體。該協議使得 Alice 和 Bob 之間能夠持續生成共享的秘密比特串，從而通過對稱密鑰加密實現量子安全的通信。

發射器將信息編碼在弱相干脈沖的光相位上，這些弱相干脈沖被發送至 Charlie 處并在那里發生干涉。

Charlie 使用兩個單光子探測器監測干擾結果，并在公共通道上公布結果，即公布哪個探測器在何時被觸發的結果。

通過將公開宣布的干涉結果與自身對光學弱相干脈沖編碼的私有知識相結合，發射端能夠啟動一種篩選程序，該程序會生成一個共享的秘密比特串。

（來源：Nature）

另據悉，雙場量子密鑰分發協議具有兩大核心優勢：首先，其具備測量設備無關性，能夠確保第三方即 Charlie 的檢測行為不會泄露密鑰信息；其次，其具備優越的密鑰率縮放特性，即密鑰生成率（SKR，secret key rate）會隨信道損耗呈現平方根比例的提升。

在正式進行現場實驗之前，研究團隊使用一個模擬實際現場條件的測試臺進行了實驗室測試，該測試臺配備了單模光纖線軸和固定光衰減器，以便模擬已鋪設光纖的距離和信道損耗情況。

通過這些測試，研究人員得到了受控條件下的數據，以便與現場結果進行比較。

在德國部署該系統后，研究團隊通過評估雪崩光電二極管記錄的正交偏振分量的光強度，來監測已安裝光纖的偏振漂移。

與實驗室環境相比，現場環境的偏振穩定性更高，12 小時內正交偏振分量的強度漂移極小，這主要得益于地下光纖的自然溫度穩定性。

相比之下，實驗室安裝的光纖雖然處于溫度受控的環境中，但由于溫度條件不夠穩定所以波動更大。

通過相關測試，研究人員針對偏振穩定機制加以驗證，他們發現該機制始終能在優先選擇的偏振軸與其正交偏振軸之間保持 21 分貝的強度對比度。

此外，研究團隊還解決了由光學元件通過引起的信號衰減、摻鉺光纖放大器的放大噪聲、光注入鎖定（OIL，optical injection locking）以及服務層中經典信號的串擾問題。

這使得本次系統能以 1 吉赫茲的重復頻率實現主動奇偶配對發送或不發送（SNS，sending-or-not-sending）的雙場量子密鑰分發協議。

（來源：Nature）

另外，光脈沖序列采用 50% 占空比的交錯編排模式，通過密鑰生成弱相干脈沖與未調相脈沖的交替傳輸，進而實現精密的相位穩定。

研究中，課題組還優化了脈沖強度和分布，以便在非對稱鏈路條件下實現密鑰生成量的最大化，以及能夠滿足非對稱協議使用中的關鍵安全條件，所得到的密鑰率如下圖所示。

（來源：Nature）

這證明本次系統在商用電信基礎設施上，有效實現了一個不可信的量子中繼器。

在不使用量子存儲器或光子簇態，且所用探測器性能相當的情況下，只有在中央中繼站處發生干涉的信號之間保持光學相干性，才有可能突破這一限制。

而本次實驗證明了利用光學相干性在擴展量子通信最大距離上的優勢。與之前的實驗相比，本次實驗將通信距離有效延長了一倍，并將可容忍的損耗預算提高了大約三個數量級。

此次實驗獲得的密鑰生成率不僅足以支持關鍵數據傳輸所需的低速率一次性密碼本加密，更能滿足每數秒刷新一次 AES-256 密鑰的需求，這一性能指標完全超過了商用現成 AES 加密器的運行要求。（注：AES 是美國國家標準與技術研究院認證的對稱加密算法，支持 128/192/256 位密鑰長度，如 AES-256。）

通過使用熱電冷卻器將雪崩光電二極管冷卻至-30攝氏度以下，可以大幅擴展系統的探測范圍。

此前，低溫冷卻點對點量子密鑰分發系統所實現的全球最高紀錄是 71.9 分貝鏈路損耗，而本次進展有望超越這一紀錄。

與此同時，本次系統采用星形拓撲結構，并將探測器設置在中心節點。這種結構的好處在于，只需添加連接到該中心樞紐的發射端，就能輕松實現網絡的擴展。

總的來說，此次工作證明了基于相干的量子通信與現有網絡基礎設施的兼容性，以及在商業網絡上部署有效量子中繼器的可能性。

研究人員還利用非制冷探測技術實現了量子密鑰分發的最長傳輸距離，并構建了遠距離的星形量子密鑰分發網絡。

本次成果證明，真實世界中電信中心的環境條件與實驗室中模擬的環境條件相當，甚至前者還要更好。這為相干量子通信設備的進一步商業化和制作原型提供了有利條件。

與此同時，這一成果通過高度不對稱的國家級范圍鏈路驗證，為實現高性能、實用化的量子通信與量子網絡奠定了技術基礎。

參考資料：

Pittaluga, M., Lo, Y.S., Brzosko, A. et al. Long-distance coherent quantum communications in deployed telecom networks.Nature640, 911–917 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08801-w

運營/排版：何晨龍