科学家用电信网络实现量子信息交换，将量子密钥分发距离延长一倍

近日，东芝公司欧洲分公司（下称“东芝欧洲”）的研究人员利用量子力学原理，创建了一种可避免被黑客攻击的通信系统。

研究团队通过一条连接德国法兰克福和德国凯尔的 254 公里商用电信网络，实现了基于相干性的双场量子密钥分发协议，加密密钥分发速度达到每秒 110 比特。

研究人员表示，这是首次在商业电信网络上实现如此大规模的简化版量子信息交换，迈出了下一代数据安全的重要一步，代表着安全量子通信部署的重大进展，相关论文于日前发表于Nature

中国在量子领域也曾产出不少Nature论文，中国目前在地面和卫星上开展量子通信工作时，通常需要部署专用的适配设备。而此次东芝欧洲团队使用了商用电信网络，并使用标准光纤来发送量子信息，无需使用超低温冷却设备。

研究人员认为，虽然可以像中国团队那样利用卫星来构建量子网络，但利用已有的光纤基础设施更具成本效益。

本次成果的一个近期实际意义是，它意味着人们可以使用商业组件来实现更高性能的量子密钥分发，也意味着为量子安全通信基础设施的国家级乃至全球范围部署铺平了道路。

这一研究将基于相干性的量子通信需求与现有电信基础设施的能力相匹配，有望推动高性能量子网络的发展，包括先进量子通信协议的实施、量子中继器、量子传感网络及分布式量子计算的构建。

将实际量子密钥分发实施距离延长一倍

据了解，研究人员利用了量子密钥分发（QKD，quantum key distribution）加密技术，从而能在传统通信系统中以一种不易被黑客攻击的方式传递信息。

量子密钥分发利用了一种名为量子纠缠的现象，量子纠缠指的是即使两个亚原子粒子相隔甚远，它们的特性之间也可能存在关联。

通过测量一个粒子的数据，可以推断出另一个粒子的信息。这使得这两个粒子能够作为密钥来交换编码信息，因为外部人员无法进行读取。

此次实验在德国法兰克福、德国基希费尔德和德国凯尔之间构建了一个长达 254 公里的网络。其使用的设备十分简单，避免了依赖昂贵且耗能巨大的设备来控制温度和检测光子粒子。尽管使用精度较低的设备可能会降低通信质量，但是这有助于构建具备多种功能的大型量子信息系统。

与此同时，此次成果得益于一种可扩展的光学相干分布方法，该方法由一种系统架构以及非低温单光子探测所支持。其中，非低温单光子探测得到了带外相位稳定技术的辅助。

实验结果表明，研究人员在实际网络环境中实现了类似中继器的量子通信，在不使用低温冷却的情况下，将实际量子密钥分发的实施距离延长了一倍。

改造不理想的雪崩光电二极管

据介绍，实现相干或基于相位的量子通信面临诸多挑战，例如要在远距离编码用户之间建立共同的相位参考框架，以及需要减轻激光器和传输通道产生的相位噪声。

为了应对这些挑战，研究团队开发了一种实用的架构，以用于网络节点之间的光频分发和协调，他们还使用了非低温冷却探测器来实现主动带外相位稳定。

在本次系统之中，中心节点通过服务光纤向发射节点分发两个光频参考信号，使它们能够将其激光器锁定到共同的频率参考，从而实现相互相位锁定。

与使用超稳定激光器和外腔相比，这种方法在消除激光相位噪声方面既实用、又便宜。

为了减轻光纤产生的相位噪声，研究团队采用了一种基于雪崩光电二极管（APD，avalanche photodiodes）监测的单光子干涉结果的带外相位稳定反馈系统。

尽管雪崩光电二极管能够提供基于半导体的单光子检测能力，但与超导纳米线单光子探测器（SNSPD，superconductive nanowire single-photon detectors）相比，雪崩光电二极管的性能并不理想。

如下表所示，雪崩光电二极管具有较高的暗计数、较低的探测效率以及易受余脉冲效应影响的特点。

然而，雪崩光电二极管的价格比超导纳米线单光子探测器便宜一到两个数量级，不仅更具实用性，且能在与电信基础设施兼容的温度环境下工作。

为此，研究人员将带外稳定技术与雪崩光电二极管相结合。

对于长距离相干量子链路而言，想要在用户之间建立共同的相位参考框架。相比协议编码信号来说，分配相位参考信号更加重要。

传统方法采用与编码信号同光频的时分复用相位参考脉冲，但由于雪崩光电二极管的后脉冲效应，这类方案无法与之兼容。

而使用相同的雪崩光电二极管来检测强参考脉冲和协议编码信号则会引入噪声，进而会导致编码信号被掩盖。

相比之下，研究团队的带外稳定技术采用不同的光频率，进而分别用于相位参考信号和协议编码信号，这使得每个信号都能使用独立的探测器进行探测，从而消除了后脉冲串扰现象。

Alice、Bob 和 Charlie

如前所述，本次实验在德国进行，期间研究人员使用了由欧洲学术网络 GÉANT 提供的网络基础设施。GÉANT 是欧洲最大的研究和教育网络，连接着欧洲各国的学术网络，旨在为科研机构和大学等提供高速、安全的网络基础设施。

此次通信链路跨越了德国法兰克福和德国凯尔之间长度为 254 公里距离，损耗为 56.0 分贝，中途在德国基希费尔德设有一个中继站，中继站位置大约在全程的五分之三处。

这种设置形成了一个具有三个节点的星形量子网络，研究人员将网络边缘的两个发射器命名为 Alice 和 Bob，将一个中心中继接收器命名为 Charlie。其中，Charlie 通过一根光纤双工电缆与每个发射机相连。

设备被安置在托管数据中心的标准电信机架内，与现有的电信设备一同运行。

发射端为量子通信协议准备了光学弱相干脉冲（WCP，weak coherent pulse）量子比特。接收端负责分发光学频率参考信号以便确保相干性，并对来自发射端的弱相干脉冲进行干涉操作。

每个节点均采用模块化设计，配备相互连接的 19 英寸机架盒，以便增强与电信机架的兼容性和系统灵活性。

子系统分为三个功能层：服务层、管理层和量子层，每个层都跨越三个节点。其中，量子层负责执行量子通信协议。

实验中，所实施的具体协议是双场量子密钥分发的发送-非发送变体。该协议使得 Alice 和 Bob 之间能够持续生成共享的秘密比特串，从而通过对称密钥加密实现量子安全的通信。

发射器将信息编码在弱相干脉冲的光相位上，这些弱相干脉冲被发送至 Charlie 处并在那里发生干涉。

Charlie 使用两个单光子探测器监测干扰结果，并在公共通道上公布结果，即公布哪个探测器在何时被触发的结果。

通过将公开宣布的干涉结果与自身对光学弱相干脉冲编码的私有知识相结合，发射端能够启动一种筛选程序，该程序会生成一个共享的秘密比特串。

另据悉，双场量子密钥分发协议具有两大核心优势：首先，其具备测量设备无关性，能够确保第三方即 Charlie 的检测行为不会泄露密钥信息；其次，其具备优越的密钥率缩放特性，即密钥生成率（SKR，secret key rate）会随信道损耗呈现平方根比例的提升。

在正式进行现场实验之前，研究团队使用一个模拟实际现场条件的测试台进行了实验室测试，该测试台配备了单模光纤线轴和固定光衰减器，以便模拟已铺设光纤的距离和信道损耗情况。

通过这些测试，研究人员得到了受控条件下的数据，以便与现场结果进行比较。

在德国部署该系统后，研究团队通过评估雪崩光电二极管记录的正交偏振分量的光强度，来监测已安装光纤的偏振漂移。

与实验室环境相比，现场环境的偏振稳定性更高，12 小时内正交偏振分量的强度漂移极小，这主要得益于地下光纤的自然温度稳定性。

相比之下，实验室安装的光纤虽然处于温度受控的环境中，但由于温度条件不够稳定所以波动更大。

通过相关测试，研究人员针对偏振稳定机制加以验证，他们发现该机制始终能在优先选择的偏振轴与其正交偏振轴之间保持 21 分贝的强度对比度。

此外，研究团队还解决了由光学元件通过引起的信号衰减、掺铒光纤放大器的放大噪声、光注入锁定（OIL，optical injection locking）以及服务层中经典信号的串扰问题。

这使得本次系统能以 1 吉赫兹的重复频率实现主动奇偶配对发送或不发送（SNS，sending-or-not-sending）的双场量子密钥分发协议。

另外，光脉冲序列采用 50% 占空比的交错编排模式，通过密钥生成弱相干脉冲与未调相脉冲的交替传输，进而实现精密的相位稳定。

研究中，课题组还优化了脉冲强度和分布，以便在非对称链路条件下实现密钥生成量的最大化，以及能够满足非对称协议使用中的关键安全条件，所得到的密钥率如下图所示。

这证明本次系统在商用电信基础设施上，有效实现了一个不可信的量子中继器。

在不使用量子存储器或光子簇态，且所用探测器性能相当的情况下，只有在中央中继站处发生干涉的信号之间保持光学相干性，才有可能突破这一限制。

而本次实验证明了利用光学相干性在扩展量子通信最大距离上的优势。与之前的实验相比，本次实验将通信距离有效延长了一倍，并将可容忍的损耗预算提高了大约三个数量级。

此次实验获得的密钥生成率不仅足以支持关键数据传输所需的低速率一次性密码本加密，更能满足每数秒刷新一次 AES-256 密钥的需求，这一性能指标完全超过了商用现成 AES 加密器的运行要求。（注：AES 是美国国家标准与技术研究院认证的对称加密算法，支持 128/192/256 位密钥长度，如 AES-256。）

通过使用热电冷却器将雪崩光电二极管冷却至-30摄氏度以下，可以大幅扩展系统的探测范围。

此前，低温冷却点对点量子密钥分发系统所实现的全球最高纪录是 71.9 分贝链路损耗，而本次进展有望超越这一纪录。

与此同时，本次系统采用星形拓扑结构，并将探测器设置在中心节点。这种结构的好处在于，只需添加连接到该中心枢纽的发射端，就能轻松实现网络的扩展。

总的来说，此次工作证明了基于相干的量子通信与现有网络基础设施的兼容性，以及在商业网络上部署有效量子中继器的可能性。

研究人员还利用非制冷探测技术实现了量子密钥分发的最长传输距离，并构建了远距离的星形量子密钥分发网络。

本次成果证明，真实世界中电信中心的环境条件与实验室中模拟的环境条件相当，甚至前者还要更好。这为相干量子通信设备的进一步商业化和制作原型提供了有利条件。

与此同时，这一成果通过高度不对称的国家级范围链路验证，为实现高性能、实用化的量子通信与量子网络奠定了技术基础。

参考资料：

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

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