四川在线记者 宁宁

如果你到景区旅游，想给朋友寄一张明信片，通过传统通信方式邮寄，上面的内容一览无余；若换做量子保密通信网络，可让传统通信“加密升级”，任何偷看行为都会触发粒子自毁并报警，相当于给信息、数据穿上“自我修复盔甲”。

近日，这一“天花板”级别的通信安全保障研究取得新突破。来自成都的中国网安/中国电科三十所保密通信全国重点实验室与北京邮电大学信息光子学与光通信全国重点实验室合作，在国际权威期刊《Optica》上发表研究论文，题为“High-Rate 16-node quantum access network based on passive optical network”（基于无源光网络的高速16节点量子接入网），首次实验验证了一套支持16个用户并行安全成码的量子接入网系统，实现了兆比特每秒（Mbps）级的安全码率。研究成果标志着高速量子保密通信网络距离“飞入寻常百姓家”更近了一步。

现状：量子网络发展快前景广，但推广面临挑战

何为量子保密通信网络？

简单来说，这是一个为通信双方产生和分发安全密钥的网络。密钥是用于加解密数据的工具，传统密钥依赖于数学和计算复杂性理论，而量子密钥以光子的量子态为载体，依赖物理学中的量子不可克隆定理和海森堡测不准原理。

如果以铁路、公路等交通基础设施类比，量子保密通信网络在过去十多年间经历了从“地铁网络”到“高铁网络”的发展，目前国内外已建成了一些小规模量子保密通信网络，多地也在筹划更大规模的网络部署，主要应用在政务、金融、电力、国防等领域。

“尽管发展快速，目前量子保密通信系统规模化应用仍存在一些技术挑战。”业内人士表示，由于量子信号不可复制、易受环境影响等特性，量子密钥分发距离的拓展不仅是简单的线路延长，也涉及设备和技术挑战，比如密钥分发速率和成本问题较为突出。

拿我们熟悉的家庭宽带来说，它为众多家庭用户提供稳定、高速的互联网接入服务。相比之下，当下要接入量子网络，一般需要一台量子设备与一个用户的量子终端建立起一对一的安全链路，好比要修建一条专门的通信线路来进行连接。

显而易见的是，如果让量子网络像传统宽带一样灵活覆盖更多用户，前者“一对一”的连接方式不仅带来了更高的成本，还限制了网络规模的扩大。

思路：用“一对多”协议破解“一对一”瓶颈

要打破“一对一”瓶颈，在理论方法上，研究人员将突破口放在研发适用于“一对多”场景的高效量子密钥分发协议上。

具体来说，研究团队提出了高性能并行成码连续变量量子密钥分发（CV-QKD）接入网协议。该协议允许多个量子密钥分发终端用户，同时从位于网络中心节点的单个信源中提取不同的密钥，使网络理论成码率提高几个数量级。

进一步将理论转化为实践，在实验中，研究团队采用下行无源光网络传输架构，中心节点生成量子信号，并通过“广播”方式同时发送给多个终端用户，每位用户使用自己的设备独立接收并处理这些信号。

然而挑战不小，实验中先后遇到了探测端噪声校准困难、系统各节点的过噪声抑制难度大等问题。

为此，研究人员通过突破散粒噪声与电噪声实时一次校准、时域叠加训练序列增强等关键技术，首次构建了一套支持16个用户并行安全成码的量子接入网系统，并得出结果——在16个用户节点并传输6公里光纤链路情况下，平均安全码率为2.086 Mbps（兆比特每秒）。

在此基础上，团队进而又研究了两个多用户场景——

4个用户节点并传输30公里光纤链路情况下，平均安全码率为4.237 Mbps；

8个用户节点并传输15公里光纤链路情况下，平均安全码率为3.303 Mbps。

“上述结果与使用‘点对点’协议的现有网络相比，该‘点对多点’量子接入网系统平均安全码率提高2个数量级。”研究人员说，该方法通过展示其在中短距离通信中高速率、高兼容等独特优势，为解决“最后一公里”问题提供了全新思路。

这还意味着，在不久的未来，用户只需通过类似家庭宽带接入的方式，就有可能享受到“天花板”级别的通信安全保障。

接下来，中国网安/中国电科三十所将积极开展高水平量子保密通信技术研究并推动相关应用，助力构建高效的量子保密通信网络体系。

【名词解释】

量子不可克隆定理：是量子力学的基本定理之一，指任何未知的量子态无法被完全复制而不改变原始状态。

海森堡测不准原理：是量子力学的核心理论之一，表明微观粒子的位置和动量无法被同时精确测定，体现了量子系统的固有特性而非测量技术的局限。