超越QKD的量子加密中单光子优势

远程抛出一枚公平的硬币

想象两个分处世界两端的人需要抛硬币来做出一个公平决定，但他们互不信任。这样的情形会出现在在线赌博、保密拍卖以及许多其他数字交互中。现有的互联网工具如果一方拥有足够的计算能力或愿意作弊，就无法保证结果公平。本文展示了如何利用单个光子——单光子——使远程“抛硬币”比任何经典技术都更安全。

为什么常规密码学不够

现代通信安全在很大程度上依赖于对现有计算机难以破解的数学问题。量子密钥分发（QKD）已经通过利用量子物理让两方共享一个由自然规律保证安全的密钥，超越了这类基于复杂数学的方案。但许多现实应用涉及互不信任的个人或公司。对此，需要一种更基础的操作：数字抛硬币，其结果不应被任何一方不公正地影响。经典协议在原则上总是可能被具备足够计算资源的人攻破。量子抛硬币则承诺将欺骗者能偏置结果的程度限制在一定范围内，即便他们拥有无限的计算能力。

把单光子变成远程抛硬币

在这里研究的“强”量子抛硬币协议中，传统上称为爱丽丝和鲍勃的双方希望获得完全随机且无偏的结果。该协议通过将信息位编码到单光子的偏振——即朝向——来工作。爱丽丝发送一系列光子，每个光子被制备为四个密切相关偏振态之一。鲍勃在两种可能的基中测量每个入射光子，并记录首次成功探测的位置。随后，鲍勃通过普通数据链向爱丽丝发送一个随机比特和该探测位置。爱丽丝随后公开她如何制备该特定光子。如果在相同基下鲍勃的测量结果与爱丽丝的声明不符，协议将被中止。如果一切一致，将爱丽丝的原始比特与鲍勃的随机比特组合就得到最终的抛硬币结果。由于量子测量会扰动态，任何企图作弊的行为都会以误差或不一致的统计痕迹显现出来。

为什么真正的单光子很重要

先前的量子抛硬币实验演示使用的是微弱激光脉冲或纠缠光子源，这些来源只是概率性地产生单光子。这类源常常发出包含多个光子的脉冲，多余的光子会为作弊提供策略，尤其是对接收方鲍勃而言。在这项工作中，作者使用基于半导体量子点并嵌入微型光学腔的先进单光子源。该器件以很高的纯度一次只发射一个光子，且在80百万脉冲每秒的高速时钟下工作。通过精心整形并快速切换光子的偏振，团队将误差率——即当双方诚实时爱丽丝和鲍勃不同意的比例——保持在约3%以下，这一点至关重要，因为即便是微小的误差也会侵蚀量子安全优势。

评估量子与单光子优势

研究人员首先进行了详细模拟，以理解不同光源如何影响协议的安全性。他们比较了三种情况：不使用量子资源的经典协议、使用微弱激光脉冲的量子协议以及使用单光子源的量子协议。关键数值是“作弊概率”——不诚实一方强行得到其偏好结果的最大可能性。当该作弊概率低于经典可达到的水平时，就出现了量子优势。模拟显示，单光子源在作弊概率上始终优于微弱激光脉冲，尤其是在每次抛硬币使用多次脉冲以及通信信道存在损耗（如现实网络）时，差距更为显著。

从实验室装置到真实链路

在实验上，团队使用他们的量子点单光子源、由定制电子控制的快速偏振调制器和高效率单光子探测器来实现该协议。在背靠背配置下，他们实现了约每秒1500次安全抛硬币。在该情形下，他们量子实现中的最大作弊概率约为90%，而最佳等价经典协议约为91.6%——这是一个在非常一般假设下可测量的改进。重要的是，当他们将同一装置重新分析为由微弱激光而非真实单光子源驱动时，作弊概率上升，证实了明显的“单光子优势”。他们还在增加的信道损耗下测试系统，模拟数公里光纤的情况，结果显示量子优势在中等损耗下仍然存在，并且通过优化参数和改进光源，有望扩展到更长距离。

这对未来量子网络意味着什么

对普通读者而言，作弊概率的差异看起来或许有限，但它们展示了一个根本性事实：利用真正的单光子，可以在该任务上不仅超越经典方法，也优于早期的量子方法，而该任务的参与方彼此不信任。这项工作表明，先进的量子光源能够为超出密钥分发的密码学原语提供动力，作为未来量子互联网中公平领袖选举、在线安全游戏和更复杂多方协议的构建模块。随着单光子技术的改进并向电信波段发展，这些量子抛硬币有望成为在日常数字交互中确保公平与安全的实用工具。

引用: Vajner, D.A., Kaymazlar, K., Drauschke, F. et al. Single-photon advantage in quantum cryptography beyond QKD. Nat Commun 17, 2074 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69995-9

关键词: 量子抛硬币, 单光子源, 量子密码学, 量子互联网, 量子点