随着量子计算机对传统加密技术的威胁日益加剧，研究人员正在开发量子网络，以实现超安全通信。

汉诺威莱布尼茨大学的科学家们开创了一种新方法，利用光频增强量子密钥分发。这一突破简化了复杂性，降低了成本，并为可扩展的、防窃听的量子互联网基础设施铺平了道路。

日益严峻的数据安全威胁

互联网安全的未来面临着一项重大挑战：量子计算机最终可能会破解当今使用的最强加密技术，使敏感数据容易遭到攻击。为了应对这一威胁，世界各国的研究人员正在研究量子网络——利用量子力学原理实现超安全通信的系统。

这些网络在完全成熟并实现全球互联后，将构成量子互联网，提供无法被截获或解码的加密手段。然而，由于成本高昂、能耗巨大以及所需技术复杂，量子互联网的广泛应用仍然难以实现。

量子加密的新方法

在汉诺威莱布尼茨大学的光子学研究所，两名研究人员正采用一种新方法应对这一挑战。他们开发了一种基于纠缠的量子密钥分配的高级方法，该方法使用频率分组编码，即将量子信息编码到不同的光频率（颜色）中。这种方法不仅增强了安全性，还提高了资源效率。

“我们的方法未来将使量子网络实现扩展，同时使用更少的资源在更远的距离上连接更多的用户，”汉诺威莱布尼茨大学光子学研究所所长兼“PhoenixD卓越集群”董事会成员迈克尔·库斯 (Michael Kues) 教授解释道。光学技术和光子量子位的研究是该大学的主要研究领域之一。

基于频率的量子密钥分发的优势

利用频率作为自由度来实现基于纠缠的量子密钥分发具有两大优势。光子学研究所的博士生阿纳希塔·霍达达德·卡什说：“首先，与偏振相比，频率具有非常强的抗噪声能力，而温度波动和所用光纤中的机械振动等环境因素会诱导噪声并干扰密钥传输。”“第二个优势是，通过使用频率，我们能够降低过程的复杂性，从而也降低了成本，”霍达达德·卡什说。

削减成本并加强安保

研究人员已成功使用单个探测器而非四个高灵敏度光子探测器来测量光粒子的量子态。为了完成所需的四次测量，他们采用了频率-时间转换法，将频率分量映射到探测器上光子的到达时间。库斯表示，这能将标准电信组件的成本从约 100,000 欧元降至四分之一。“此外，探测器遭受攻击的风险降低，系统变得更加安全，”霍达达德·卡希说道。

扩展量子网络

此方法并非仅使用一个信道，而是同时使用多个信道。这种所谓的自适应频分复用技术，无需任何额外的技术设备，就可提高密钥分发速率。“采用这种方法，量子网络的性能会根据当前负载动态调整，”霍达达德·卡什表示。“未来，我们的方法将能够支持多个用户之间动态、资源最小化的量子密钥分发。这将实现量子网络的扩展，”库斯说。“量子网络将是构建更加安全的关键IT基础设施的重要基石，比如在银行和医疗保健领域。”

量子通信的未来

库斯（Kues）认为，有必要进一步研究纳米光子学与量子光学的相互作用，从而为量子信息的多维编码开发更多生成各种量子态的方法和组件。“随着量子网络的发展，未来我们将迎来量子通信在连接性、容量、范围和安全性方面的全新品质，”库斯说道。

参考文献：《可重构频率复用网络中基于频域编码纠缠的量子密钥分发》，作者：阿纳希塔·霍达达德·卡什与迈克尔·库斯，发表于2025年1月16日，《光：科学与应用》。DOI：10.1038/s41377-024-01696-8

该研究由TÜV Nord / Alter Technology公司、联邦教研部（BMBF）和欧洲研究委员会（ERC）资助。研究成果已发表在《光：科学与应用》期刊上。