量子安全实验进一步接近普通电信网络
中国研究团队展示了一种量子密钥分发系统，可耐受425千赫兹的噪声，并在150公里共用光纤上与传统光通信进行传输测试。这项工作针对量子安全网络的一项实际障碍：当脆弱的量子信号遭遇电信设备承载的强得多的光信号时，如何让量子信号仍能正常使用。
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这支团队由中国科学技术大学院士郭光灿带领，合作方包括河南省量子信息与量子密码重点实验室和南京邮电大学。参与研究的人员包括韩正甫、陈巍、尹振强和王双。
美国物理学会于2026年9月30日发表了他们的《物理评论快报》论文。论文介绍了一套重复频率为2.5吉赫兹的系统。报告称，该系统在噪声计数达到425千赫兹时仍可生成安全密钥，噪声耐受能力比隔离系统高出四个数量级；在信道衰减为30分贝时，安全密钥生成速率达到每秒千比特量级。
这些结果衡量的是不同方面的性能。重复频率描述系统运行的速度；噪声计数描述不希望出现的探测事件；安全密钥速率则衡量经过处理后生成的可用密钥数量。区分这些指标，才能准确理解这项实验展示了什么。
这项工作的核心进展，是将一种称为优势蒸馏的方法与快速信号编码和紧凑型半导体探测器结合起来。研究人员不再只依靠屏蔽量子信号来隔绝噪声，也改变了对含噪密钥数据的处理方式。
保护的是什么？
量子密钥分发（QKD）让通信双方通过量子态建立共享密钥，之后可用该密钥支持加密通信。这项实验研究的是密钥分发，而不是以系统2.5吉赫兹的工作频率传输普通消息。
量子密钥分发的吸引力在于其信息论安全性：在协议假设成立的前提下，保密性并不取决于攻击者是否无法破解某个困难的数学问题。量子信号以及密钥生成过程中执行的检查，使参与方能够评估是否可以从测量结果中提取出秘密密钥。
这项研究采用测量设备无关量子密钥分发，通常简称MDI QKD。其安全性不要求信任测量设备。这一点很重要，因为即使底层量子协议可靠，探测器也可能给实际实现带来弱点。
这个术语并不意味着网络的所有部分都可以忽略，或都可视为安全。信号制备和协议的其他假设仍然重要。具体而言，该方案的优势是在具有挑战性的光学环境中保持秘密密钥生成，同时不必信任测量设备。
背景光为何构成重大障碍
量子通信使用极弱的光信号。传统电信设备承载的信号强得多，可能在光纤中通过非线性效应产生额外光线。这些杂散光会带来探测事件，却并不代表预期的量子信息。
由此产生的问题不只是连接噪声较大。如果测量数据中的错误过多，或有用的相关性不足，通信双方就可能无法提取安全密钥。因此，系统即使能够进行光学传输，也未必能生成可用的秘密信息。
自由空间链路也面临类似挑战，但来源不同。卫星连接和无人机等平台可能遭遇强烈环境光，包括阳光。研究将这些环境视为提高噪声耐受能力的动因，但报告中的150公里共存实验使用的是光纤。
滤波有助于排除杂散光，但效果有限。滤波器也可能丢弃有用信号，并增加设备复杂度。研究团队从物理层和数据处理层同时着手，将低噪声探测与一种旨在从更嘈杂的测量记录中提取秘密密钥的方法结合起来。
优势蒸馏如何改变计算方式
优势蒸馏将原始密钥数据按组处理，以改善可用于生成秘密密钥的相关性。原始数据是参与方完成建立可用秘密密钥所需的检查和处理之前生成的初始记录。
其原理是有选择地处理数据。该方法不把每个原始密钥元素都视为同等有用，而是利用组内的关系，保留更适合生成秘密密钥的数据。它无法让任意噪声变得无害，但可以拓展能够恢复有用保密信息的条件范围。
研究人员针对该系统建立了优势蒸馏的有限密钥长度理论。这回应了一个重要的实际区别：实验只能收集有限数量的数据，而理想化计算可能假设数据集无限大。安全性和性能必须考虑有限数据所带来的统计不确定性。
研究报告所称的首创，是基于优势蒸馏的MDI QKD实际实现，并由相关理论工作和实验硬件提供支持。论文并未声称优势蒸馏方法本身是在这项研究中发明的。
硬件同样重要，因为数据处理无法取代对可用测量结果的需求。快速并行编码以高速度提供量子信号；紧凑型半导体单光子探测器则支持低噪声探测，无需使用论文中提到的笨重且耗费资源的探测设备。
这些性能数据实际说明了什么
系统的425千赫兹噪声阈值，相当于每秒42.5万次噪声计数。论文报告称，在这一噪声水平下仍可生成安全密钥。这是探测计数率，不是光功率的衡量指标，也不是消息加密速度。
四个数量级意味着1万倍。因此，研究中的对比表明，相对于作为参照的隔离系统，噪声耐受能力大幅提升。但这不应被理解为相较于所有现有QKD装置都具有普遍适用的性能倍数。
安全密钥生成能力据称提高了两个数量级，即100倍。这与噪声耐受能力提高1万倍是两项不同结果。前者描述生成安全密钥的能力，后者描述系统能够承受的噪声水平。
系统以2.5吉赫兹运行，相当于每秒重复25亿次。最终输出的安全密钥速率要低得多，因为光学损耗、成功的测量事件以及安全处理共同决定了有多少可用秘密信息能够保留下来。论文报告称，在衰减为30分贝时，输出达到每秒千比特量级，但摘要没有给出具体速率。
30分贝损耗与150公里共用光纤
信道衰减30分贝意味着光功率降低至原来的千分之一，也就是经过所述损耗后只剩输入功率的千分之一。在这种条件下仍能以每秒千比特量级的速率生成安全密钥，表明系统可在信号损耗显著的情况下运行。
另一项共存演示将量子系统接入中国联通提供的现有光通信设备。量子密钥分发与传统光通信通过同一条光纤传输，距离为150公里，这一距离与城市间连接相关。
共用光纤是一项实际测试，因为量子网络不可能总能依赖专门为弱量子信号预留的光路。共存传输使系统接触到传统通信所使用的设备和更强的光信号。
已发表的摘要和实验说明确认了噪声阈值、衰减条件下的密钥速率以及共用光纤传输距离。但这些资料并未证明最大噪声负载、所述衰减指标和150公里传输是在完全相同的运行条件下同时实现的。将它们视为分别报告的性能指标，可避免夸大结果。
发表日期与部署结论的边界
相关研究先发表于《物理评论快报》，随后才有关于合作方及中国联通实验的进一步报道。发表时间顺序如下：
- 2026年9月30日：论文发表于《物理评论快报》，报告了2.5吉赫兹系统、425千赫兹的噪声耐受能力，以及在30分贝衰减下生成安全密钥的结果。
- 2026年10月9日：后续报道介绍了参与机构，以及使用中国联通设备进行的150公里共用光纤演示。
紧凑型探测、高运行速度、背景噪声耐受能力和共用光纤传输结合起来，回应了多项实际需求。学术论文将该系统描述为一种解决方案，可用于部署兼具强安全性、实用密钥输出和环境噪声韧性的量子安全网络。
这一结论的范围大于证明其已能提供常规商业服务。报告没有给出设备成本、连续运行时间、维护要求或网络部署计划，也未证明已开展卫星或无人机演示。这些环境是研究的动因，但具体的网络共存结果针对的是光纤。
这对实用量子通信意味着什么
这些结果最有意义的联系在于，研究团队在同一项研究计划中同时处理了噪声耐受能力和与现有基础设施的兼容性。仅能在隔离环境中运行的高速系统，解决的问题不同于能够与普通通信设备共用光纤的系统。
这项研究也说明，单看运行频率并不足以衡量进展。系统的实际价值取决于在考虑损耗、非预期探测事件和有限数据处理后，运行速度能否转化为安全密钥。优势蒸馏方法有助于将高速硬件运行转化为含噪条件下的实用输出。
150公里测试给出了一个具体应用场景：利用共用光学基础设施实现城市间通信。要进一步评估部署准备情况，还需要了解这些结果中未提供的运行细节，包括持续性能和成本。研究没有说明部署期限或下一次测试日期。
要点
- 中国科学技术大学及其合作方利用优势蒸馏和紧凑型半导体探测器，展示了MDI QKD。
- 该系统以2.5吉赫兹运行，在每秒42.5万次噪声计数下仍可生成安全密钥。
- 据报告，噪声耐受能力提高了四个数量级，相当于相较所述参照系统提升1万倍。
- 论文报告称，在信道衰减为30分贝时，安全密钥速率达到每秒千比特量级。
- 另一项演示使用中国联通的光通信设备，在150公里共用光纤上进行传输。
- 这些结果并未证明系统已投入常规商业运行，也未给出部署时间表或已完成的卫星链路演示。
