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，建立了一種可避免被駭客攻擊的通訊系統。
研究團隊透過一條連線德國法蘭克福和德國凱爾的 254 公里商用電信網路，實現了基於相干性的雙場量子金鑰分發協議，加密金鑰分發速度達到每秒 110 位元。
研究人員表示，這是首次在商業電信網路上實現如此大規模的簡化版量子資訊交換，邁出了下一代資料安全的重要一步，代表著安全量子通訊部署的重大進展，相關論文於日前發表於 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訊工作時，通常需要部署專用的適配裝置。而此次東芝歐洲團隊使用了商用電信網路，並使用標準光纖來發送量子資訊，無需使用超低溫冷卻裝置。
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路，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元件來實現更高效能的量子金鑰分發，也意味著為量子安全通訊基礎設施的國家級乃至全球範圍部署鋪平了道路。
這一研究將基於相干性的量子通訊需求與現有電信基礎設施的能力相匹配，有望推動高效能量子網路的發展，包括先進量子通訊協議的實施、量子中繼器、量子感測網路及分散式量子計算的構建。
圖 | 東芝歐洲的研究人員利用量子金鑰分發加密技術，透過傳統通訊系統傳輸資訊（來源：東芝歐洲）
將實際量子金鑰分發實施距離延長一倍
據瞭解，研究人員利用了量子金鑰分發（QKD，quantum key distribution）加密技術，從而能在傳統通訊系統中以一種不易被駭客攻擊的方式傳遞資訊。
量子金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。
透過測量一個粒子的資料，可以推斷出另一個粒子的資訊。這使得這兩個粒子能夠作為金鑰來交換編碼資訊，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 公里的網路。其使用的裝置十分簡單，避免了依賴昂貴且耗能巨大的裝置來控制溫度和檢測光子粒子。儘管使用精度較低的裝置可能會降低通訊質量，但是這有助於構建具備多種功能的大型量子資訊系統。
與此同時，此次成果得益於一種可擴充套件的光學相干分佈方法，該方法由一種系統架構以及非低溫單光子探測所支援。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，研究人員在實際網路環境中實現了類似中繼器的量子通訊，在不使用低溫冷卻的情況下，將實際量子金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體
據介紹，實現相干或基於相位的量子通訊面臨諸多挑戰，例如要在遠距離編碼使用者之間建立共同的相位參考框架，以及需要減輕雷射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，以用於網路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，中心節點透過服務光纖向發射節點分發兩個光頻參考訊號，使它們能夠將其雷射器鎖定到共同的頻率參考，從而實現相互相位鎖定。
與使用超穩定雷射器和外腔相比，這種方法在消除雷射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，研究團隊採用了一種基於雪崩光電二極體（APD，avalanche photodiodes）監測的單光子干涉結果的帶外相位穩定反饋系統。
儘管雪崩光電二極體能夠提供基於半導體的單光子檢測能力，但與超導奈米線單光子探測器（SNSPD，superconductive nanowire single-photon detectors）相比，雪崩光電二極體的效能並不理想。
如下表所示，雪崩光電二極體具有較高的暗計數、較低的探測效率以及易受餘脈衝效應影響的特點。
（來源：Nature）
然而，雪崩光電二極體的價格比超導奈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相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體相結合。
對於長距離相干量子鏈路而言，想要在使用者之間建立共同的相位參考框架。相比協議編碼訊號來說，分配相位參考訊號更加重要。
傳統方法採用與編碼訊號同光頻的時分複用相位參考脈衝，但由於雪崩光電二極體的後脈衝效應，這類方案無法與之相容。
而使用相同的雪崩光電二極體來檢測強參考脈衝和協議編碼訊號則會引入噪聲，進而會導致編碼訊號被掩蓋。
相比之下，研究團隊的帶外穩定技術採用不同的光頻率，進而分別用於相位參考訊號和協議編碼訊號，這使得每個訊號都能使用獨立的探測器進行探測，從而消除了後脈衝串擾現象。
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路 GÉANT 提供的網路基礎設施。GÉANT 是歐洲最大的研究和教育網路，連線著歐洲各國的學術網路，旨在為科研機構和大學等提供高速、安全的網路基礎設施。
此次通訊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箇中繼站，中繼站位置大約在全程的五分之三處。
這種設定形成了一個具有三個節點的星形量子網路，研究人員將網路邊緣的兩個發射器命名為 Alice 和 Bob，將一箇中心中繼接收器命名為 Charlie。其中，Charlie 透過一根光纖雙工電纜與每個發射機相連。
裝置被安置在託管資料中心的標準電信機架內，與現有的電信裝置一同執行。
（來源：Nature）
發射端為量子通訊協議準備了光學弱相干脈衝（WCP，weak coherent pulse）量子位元。接收端負責分發光學頻率參考訊號以便確保相干性，並對來自發射端的弱相干脈衝進行干涉操作。
每個節點均採用模組化設計，配備相互連線的 19 英寸機架盒，以便增強與電信機架的相容性和系統靈活性。
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訊協議。
實驗中，所實施的具體協議是雙場量子金鑰分發的傳送-非傳送變體。該協議使得 Alice 和 Bob 之間能夠持續生成共享的秘密位元串，從而透過對稱金鑰加密實現量子安全的通訊。
發射器將資訊編碼在弱相干脈衝的光相位上，這些弱相干脈衝被髮送至 Charlie 處並在那裡發生干涉。
Charlie 使用兩個單光子探測器監測干擾結果，並在公共通道上公佈結果，即公佈哪個探測器在何時被觸發的結果。
透過將公開宣佈的干涉結果與自身對光學弱相干脈衝編碼的私有知識相結合，發射端能夠啟動一種篩選程式，該程式會生成一個共享的秘密位元串。
（來源：Nature）
另據悉，雙場量子金鑰分發協議具有兩大核心優勢：首先，其具備測量裝置無關性，能夠確保第三方即 Charlie 的檢測行為不會洩露金鑰資訊；其次，其具備優越的金鑰率縮放特性，即金鑰生成率（SKR，secret key rate）會隨通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通道損耗情況。
透過這些測試，研究人員得到了受控條件下的資料，以便與現場結果進行比較。
在德國部署該系統後，研究團隊透過評估雪崩光電二極體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，這主要得益於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於溫度受控的環境中，但由於溫度條件不夠穩定所以波動更大。
透過相關測試，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透過引起的訊號衰減、摻鉺光纖放大器的放大噪聲、光注入鎖定（OIL，optical injection locking）以及服務層中經典訊號的串擾問題。
這使得本次系統能以 1 吉赫茲的重複頻率實現主動奇偶配對傳送或不傳送（SNS，sending-or-not-sending）的雙場量子金鑰分發協議。
（來源：Nature）
另外，光脈衝序列採用 50% 佔空比的交錯編排模式，透過金鑰生成弱相干脈衝與未調相脈衝的交替傳輸，進而實現精密的相位穩定。
研究中，課題組還優化了脈衝強度和分佈，以便在非對稱鏈路條件下實現金鑰生成量的最大化，以及能夠滿足非對稱協議使用中的關鍵安全條件，所得到的金鑰率如下圖所示。
（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。
在不使用量子儲存器或光子簇態，且所用探測器效能相當的情況下，只有在中央中繼站處發生干涉的訊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充套件量子通訊最大距離上的優勢。與之前的實驗相比，本次實驗將通訊距離有效延長了一倍，並將可容忍的損耗預算提高了大約三個數量級。
此次實驗獲得的金鑰生成率不僅足以支援關鍵資料傳輸所需的低速率一次性密碼本加密，更能滿足每數秒重新整理一次 AES-256 金鑰的需求，這一效能指標完全超過了商用現成 AES 加密器的執行要求。（注：AES 是美國國家標準與技術研究院認證的對稱加密演算法，支援 128/192/256 位金鑰長度，如 AES-256。）
透過使用熱電冷卻器將雪崩光電二極體冷卻至-30攝氏度以下，可以大幅擴充套件系統的探測範圍。
此前，低溫冷卻點對點量子金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，本次系統採用星形拓撲結構，並將探測器設定在中心節點。這種結構的好處在於，只需新增連線到該中心樞紐的發射端，就能輕鬆實現網路的擴充套件。
總的來說，此次工作證明了基於相干的量子通訊與現有網路基礎設施的相容性，以及在商業網路上部署有效量子中繼器的可能性。
研究人員還利用非製冷探測技術實現了量子金鑰分發的最長傳輸距離，並構建了遠距離的星形量子金鑰分發網路。
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。這為相干量子通訊裝置的進一步商業化和製作原型提供了有利條件。
與此同時，這一成果透過高度不對稱的國家級範圍鏈路驗證，為實現高效能、實用化的量子通訊與量子網路奠定了技術基礎。
參考資料：
Pittaluga, M., Lo, Y.S., Brzosko, A. et al. Long-distance coherent quantum communications in deployed telecom networks. Nature 640, 911–917 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08801-w
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