在100公里光纤上实现可组合安全性的高速连续变量量子密钥分发

为什么更快的量子密钥很重要

随着我们的数字生活不断扩展，从银行转账到私人消息都依赖于密钥来加密。如今的密钥共享方法未来可能会被包括量子计算机在内的强大计算设备攻破。量子密钥分发（QKD）提供了一种由物理定律保障安全性的密钥共享方式，而不仅仅依赖巧妙的数学手段。本文报道了一项重要进展：一种量子系统能够在城市规模的光纤网络上以吉比特每秒的速度生成秘密密钥，使得物理级别的安全在现实通信中变得更加可行。

从脆弱光子到实用防护

QKD 允许两个用户（通常称为爱丽丝和鲍勃）发送微弱的光闪，其量子性质能揭示任何窃听尝试。连续变量 QKD 是一种特定风格，它将信息编码在光波的强度和相位上，而不是单粒子上。这种方法与现有电信硬件高度兼容，并有望实现非常高的密钥速率。然而到目前为止，连续变量系统面临一个权衡：在长距离光纤上把信号推到非常高的速率会产生额外噪声，淹没脆弱的量子特征，从而缩短可用距离并降低速率。在严格安全约束下，现有的记录系统通常只能达到每秒几兆比特或几十公里的范围。

把一条湍急的河流分成多条平缓的支流

研究人员通过借鉴经典高速互联网的一个技巧解决了这一瓶颈：将单一路快速数据流划分为若干更慢的子流，这些子流在同一根光纤内以不同频率“颜色”承载。该技术称为正交频分复用，将一个10吉赫兹的量子信号变为五个并行信道，每个信道以2吉赫兹运行。由于每个子信道速度较低，它们受光纤色散造成的失真要小得多——色散会导致不同频率分量随距离扩展和模糊。团队对多信道相互作用产生的新噪声源进行了精确建模与测量，然后选择最佳的子信道数量并微调各信道的调制强度，以压榨出最高的可用秘密密钥率。

实时驯服噪声并处理数据

为保持量子信号的清晰，系统在微弱的量子脉冲旁发送一条强参考音并用它来跟踪两台独立激光器与光纤自身之间的快速相位抖动。第二道较慢的校正步骤使用嵌入的训练模式来消除残余漂移，同时不过度消耗数据流。在接收端，宽带探测器和高速数字处理器将五个子信道分离并重建其量子态。由于系统产生庞大的原始测量数据，团队构建了一个由若干图形处理单元驱动的强大后处理引擎。这些芯片运行先进的纠错码和隐私放大例程，速度足以跟上输入，将有噪声的共享数据转换为多吉比特每秒速率下相同且可证明安全的密钥。

在城市规模光纤上创纪录的速度

借助这种多载波设计，实验在5公里光纤上达到了约1.8吉比特每秒的秘密密钥率，在10公里时略高于1吉比特每秒。即便在50、75和100公里这些用于连接数据中心与城市郊区的距离上，系统仍能分别产生数十兆比特每秒和几兆比特每秒的密钥。关键在于，这些数字并非理想化估计；它们考虑了有限数据规模并采用了现代保守的安全框架，确保即便与其他加密工具结合使用时密钥仍保持安全。与在类似安全假设下的最佳先前连续变量系统相比，该工作将安全速率提高了约两个数量级，并将可用距离扩展了约五倍。它在城市级距离上在速度上也比领先的离散变量 QKD 演示快约一个数量级。

这对未来安全网络意味着什么

通俗来说，作者展示了可以使用与当今电信技术和信号格式密切相关的硬件，在100公里光纤链路上发送极高速的量子保护密钥。通过将非常快的量子信号分割成多条更温和的流，并将周密的噪声控制与大规模并行计算相结合，他们同时实现了高速与强大的可组合安全保证。这使得基于物理的加密更接近在实际的城市和接入网络中部署，在那些许多用户、数据中心和服务必须长期保护大量机密信息的场景中具有重要应用前景。

引用: Heng Wang, Yang Li, Ting Ye, Li Ma, Yan Pan, Mingze Wu, Junhui Li, Yiming Bian, Yun Shao, Yaodi Pi, Jie Yang, Jinlu Liu, Ao Sun, Wei Huang, Stefano Pirandola, Yichen Zhang, and Bingjie Xu, "High-rate continuous-variable quantum key distribution over 100 km fiber with composable security," Optica 12, 1657-1667 (2025). https://doi.org/10.1364/OPTICA.566359

关键词: 量子密钥分发, 连续变量量子通信, 光纤安全, 高速量子网络, 正交频分复用