2026年必看！量子通信排名：我国芯片化网络540公里创纪录，优缺点全解析

技术突破直击痛点

6月20日, 合肥国家实验室联合中国科学技术大学团队, 联合中山大学等团队, 在《自然·光子学》发表重磅成果, 全球首个基于双场量子密钥分发协议的芯片化量子通信网络成功运行, 该网络在540公里光纤中实现了安全密钥传输。这一突破打破了传统量子通信在距离方面 和成本方面的物理瓶颈, 此突破被业界视为是迈向大规模商用的关键一步。

在过去的十年当中, 量子密钥分发尽管被视作是“绝对安全”的通信方案, 然而, 高昂的设备成本以及复杂的光学对准系统, 致使其在城际网络里难以实现落地。在此次, 研究团队运用混合集成芯片技术, 把原本占据半个实验室空间的光源以及调制系统, 压缩到了如同指甲盖大小的芯片之上, 直接命中了行业“成本高、部署难”的痛点。

百米级精度如何炼成

由研究团队所研发的氮化硅自注入锁定激光器芯片, 达成了100赫兹级别的超窄线宽输出, 此情形等同于在540公里光纤链路里, 激光频率的漂移程度并未超过普通耳机发声频率的千分之一。借助薄膜铌酸锂调制器, 该团队把调制带宽推进到25吉赫兹, 半波电压降至2.6伏, 消光比达到34分贝, 这表明量子态的编码误差率被压缩至几乎可忽略不计的程度。

传统的TF-QKD系统, 需要借助两个彼此独立的激光器, 在距离达到100公里之远的地方, 去完成单光子干涉, 然而, 任何形式的温度波动, 或者机械振动, 均会致使其失败。芯片化设计则将激光器锁定于单一频率源之上, 如此一来, 使得干涉稳定性提高了一个数量级。上海交通大学团队, 在实验里进行验证, 该系统在持续运行72小时的过程中, 未曾出现哪怕一次失锁现象。

叶脊网络架构重塑量子通信

首次在论文里被披露的“量子叶脊网络”架构, 把用户节点划分成三个层级, 分别是用户层、叶层以及脊层。量子终端摆在用户层, 它借助光开关同叶层节点相连接, 叶层节点接着经由脊层骨干网去进行路由。这样的设计致使城域内距离为四十公里的用户以及城际距离为四百零三公里的用户, 均可凭借同一套硬件达成灵活切换。

在针对四用户的网络测试里头, 团队各自完成了有着40公里链路的密钥分发演示, 还完成了403公里链路的密钥分发演示。模拟的结果表明, 当光纤距离缩短到50公里的时候, 此系统能够同时去支持超过50名用户开展加密视频通话 , 并且视频延迟是低于20毫秒的。这样的一种架构给未来的城市级量子互联网提供了能够复用的模板。

540公里极限挑战下的成码率

实验里, 最为令人震撼的数据, 源自总损耗达到91.5分贝的540公里超低损耗光纤链路。在这种极限状况之下, 网络依旧维持了2.93比特每秒的安全成码率, 这等同于每三秒就能够生成一把全新的加密钥匙。更为关键的是, 该成码率已然达到无中继密钥容量的9倍还要多, 这意味着量子通信的“距离-速率”诅咒被首次打破了。

传统量子密钥分发, 在距离达到 100 公里开外时, 成码率便会降低到每秒少于 1 比特。TF-QKD 方案借助双场干涉技术, 从理论上来说能够把传输距离延伸至 1000 公里。此次 540 公里实验所得到的成码率数据, 直接证实了芯片化方案在超远距离状况下的工程可行性。

从实验室到产业化的最后一步

, 潘建伟团队透露 , 当下芯片的制造成本已然降低至传统分立元件的十分之一 , 单片成本能够控制于千元人民币级别范围。若进行规模化量产 ，将来一个量子节点终端设备的价格有希望低于当下高端交换机。这表明 , 量子通信不再单单是国家骨干网的 “奢侈品 ” , 中小企业乃至个人用户都有可能接入。

然而, 商业化的部署依旧面对着稳定性方面的挑战, 于极端的温度或者强电磁干扰的环境当中, 芯片长期的可靠性仍然需要进一步去进行验证, 团队规划在2027年开启城市级别的试点网络, 以测试其在真实电网、交通信号等复杂的环境之下的表现。

竞争对手在追赶什么

就在本月, 欧洲的量子通信网络项目“EuroQCI”宣称, 在310公里链路达成了密钥分发, 然而采用的是传统分束型方案, 并且芯片化程度是零。美国DARPA的“量子互联网”计划, 尚未冲破300公里壁垒。中国此次540公里芯片化的成果, 直接把对手拉下了一个技术阶段。

可是竞争远远还没有结束, 韩国三星电子在近期公布了基于硅光子的量子密钥芯片原型, 其线宽是1兆赫兹, 远远比不上中国团队的100赫兹, 而日本NTT公司打算通过纠缠分发方案来绕开激光干涉难题, 不过还没有实质性网络演示, 中国团队的技术垄断效应正在呈现出来。

你的手机何时能用上量子加密

悬念出现了: 该项技术会如同5G那般率先走入寻常家庭, 抑或是仅仅服务于银行以及军方呢若量子密钥分发的成本降低至100元每月以下之时, 你乐意给你的社交媒体账号开启“绝对安全”通信模式吗欢迎于评论区去分享你的见解, 点赞并且转发此篇文章, 以使更多人目睹中国科技是怎样重新界定信息时代的“安全”这两个字的。

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