100公里量子加密传输

DTU的一组研究人员通过100公里长的光缆成功地安全地分发了量子加密密钥。图片来源：DTU

DTU的研究人员使用一种称为连续可变量子密钥分发（CV QKD）的方法成功地分发了量子安全密钥。研究人员设法使该方法在创纪录的100公里距离内工作，这是使用CV QKD方法实现的最长距离。该方法的优点是可以应用于现有的互联网基础设施。

量子计算机威胁着现有的基于算法的加密技术，这些加密技术目前可以保护数据传输免受窃听和监视。它们还不够强大，无法打破它们，但这只是时间问题。如果量子计算机成功地找出了最安全的算法，它就会为通过互联网连接的所有数据敞开大门。这加速了基于量子物理学原理的新型加密方法的开发。

但要取得成功，研究人员必须克服量子力学的挑战之一——确保长距离的一致性。到目前为止，连续可变量子密钥分发在短距离内效果最好。

“我们已经取得了广泛的改进，特别是在光子损失方面。在这项发表在《科学进展》上的实验中，我们通过光纤电缆安全地将量子加密密钥分发了100公里。这是这种方法的记录距离，“DTU副教授Tobias Gehring说，他与DTU的一组研究人员一起，旨在通过互联网将量子加密信息分发到世界各地。

当需要将数据从 A 发送到 B 时，必须对其进行保护。加密将数据与分发在发送方和接收方之间的安全密钥相结合，以便双方都可以访问数据。第三方在传输密钥时不得找出密钥;否则，加密将被破坏。因此，密钥交换对于加密数据至关重要。

量子密钥分发 （QKD） 是研究人员正在研究的一项先进技术，用于关键交换。该技术通过使用来自称为光子的量子力学粒子的光来确保加密密钥的交换。

当发送者发送以光子编码的信息时，利用光子的量子力学特性为发送者和接收者创建唯一的密钥。其他人试图测量或观察量子态的光子会立即改变它们的状态。因此，在物理上只能通过干扰信号来测量光。

“复制量子态是不可能的，就像复制一张A4纸一样——如果你尝试，那将是一个劣质的副本。这就是确保无法复制密钥的原因。这可以保护健康记录和金融部门等关键基础设施免受黑客攻击，“Gehring解释道。

CV QKD技术可以集成到现有的互联网基础设施中。

“使用这项技术的优势在于，我们可以构建一个类似于光通信已经依赖的系统。

互联网的支柱是光通信。它的工作原理是通过穿过光纤的红外光发送数据。它们充当铺设在电缆中的光导，确保我们可以向全球发送数据。数据可以通过光纤电缆更快、更远的距离发送，并且光信号不太容易受到干扰，这在技术术语中称为噪声。

“这是一项已经使用了很长时间的标准技术。因此，你不需要发明任何新的东西就可以用它来分发量子密钥，而且它可以使实现成本大大降低。我们可以在室温下运行，“Gehring 解释道。“但CV QKD技术在较短的距离上效果最好。我们的任务是增加距离。100公里是朝着正确方向迈出的一大步。

长距离连续变量量子密钥分发（CV-QKD）系统。图片来源：Science Advances （2024）。DOI： 10.1126/sciadv.adi9474

来自机器学习的噪声、错误和帮助

研究人员通过解决限制其系统在更长距离上交换量子加密密钥的三个因素，成功地增加了距离：

机器学习提供了影响系统的干扰的早期测量。例如，这些干扰可能来自电磁辐射，这可能会扭曲或破坏正在传输的量子态。对噪声的早期检测使得可以更有效地减少其相应的影响。

此外，研究人员在纠正过程中可能发生的错误方面做得更好，这些错误可能是由噪声、干扰或硬件缺陷引起的。

“在我们即将到来的工作中，我们将使用该技术在丹麦各部委之间建立一个安全的通信网络，以确保他们的通信安全。我们还将尝试在哥本哈根和欧登塞之间生成密钥，使在这两个城市设有分支机构的公司能够建立量子安全通信，“Gehring说。

QKD 于 1984 年由 Bennett 和 Brassard 开发为一个概念，而加拿大物理学家和计算机先驱 Artur Ekert 和他的同事于 1992 年首次实施了 QKD。他们的贡献对于开发现代 QKD 协议至关重要，QKD 协议是一组规则、程序或约定，用于确定设备应如何执行任务。

QKD基于在量子态中复制光子的基本不确定性。光子是光组成的量子力学粒子。

量子态的光子具有基本的不确定性，这意味着不可能确定地知道光子是在给定状态下收集的一个还是几个光子，也称为相干光子。这可以防止黑客测量光子的数量，从而无法精确复制状态。

它们还具有基本的随机性，因为光子同时处于多种状态，也称为叠加态。当测量发生时，光子的叠加坍缩成随机状态。这使得无法精确测量它们在叠加时所处的阶段。

总之，黑客几乎不可能在不引入错误的情况下复制密钥，并且系统将知道黑客是否试图闯入并可以立即关闭。换句话说，黑客不可能先偷钥匙，然后在试图将钥匙放入锁中时避免门锁。

CV QKD专注于测量光子中量子态的平滑特性。它可以比作在所有颜色的细微差别中传达信息，而不是在每种颜色中逐步传达信息。

更多信息：Adnan A. E. Hajomer 等人，使用本地本地振荡器在 100 公里光纤上进行长距离连续可变量子密钥分发，Science Advances （2024）。DOI： 10.1126/sciadv.adi9474

期刊信息： Science Advances