落后中国十年？德国通过光纤首次成功交换量子密钥

光子盒研究院出品

德国图林根州科学部提供了1100万欧元的资金，用于在图林根州开发量子通信网络的基础设施。目前该项目已经取得进展，弗劳恩霍夫应用光学和精密工程研究所(Fraunhofer IOF)及其合作伙伴在耶拿和埃尔福特之间的一条测试路线上，首次通过光纤在75公里的距离上成功交换了量子密钥。在为期十天的测试中，发送了超过300000个量子密钥。

Fraunhofer IOF表示，这对于图林根州和德国的高安全性量子通信研究具有里程碑意义。

这条由国家资助的测试路线已经在今年春天完工。它将耶拿的Fraunhofer IOF与埃尔福特的弗劳恩霍夫生物医学微电子和光学系统中心(MEOS)连接起来。现在，它已经通过最新的测试运行成功启动。

耶拿和埃尔福特之间的量子光纤链路

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首次成功交换量子密钥

在Fraunhofer IOF的支持下，耶拿量子光学公司(Quantum Optics Jena GmbH)首次成功交换量子密钥。2020年这家初创公司从弗劳恩霍夫研究所剥离出来，此后一直在开发量子通信的插件解决方案。“我们对此次试运行的成功感到非常兴奋，”耶拿量子光学公司的首席执行官Kevin Füchsel说。“但我们也感谢Fraunhofer IOF给我们机会在日常条件下测试我们的系统。通过这种方式，我们共同促进了科学向工业和用户日常生活的转化。”

Füchsel继续说道：“我们看到该系统在真实场景的工作方式与实验室不同，在损耗相同的情况下，我们在实验室以每秒300位的速度传输，每秒提供一个加密密钥。在野外，我们大约是200位，稍微少一点。密钥长度为256位，因此几乎每秒可以更新一次，用于加密保护，即加密和解密传输的信息。正是这种快速、防窃听和自动的密钥更新将量子密钥分发与现有方法区分开来。”

耶拿量子光学公司计划在不久的将来进行第二次试运行，进一步深化从第一次试运行中获得的结果，并开发进一步的解决方案。

耶拿量子光学公司团队

这条光纤路线是图林根州科学部资助量子应用实验室的一部分。除了测试路线之外，在埃尔福特和耶拿还建立了最先进的实验室，用于产生和分析量子态及其在高安全性通信中的应用。

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下一步将建设全国网络

Fraunhofer IOF主任Andreas Tünnermann表示，到目前为止，他们的测试路线在埃尔福特和耶拿之间提供了两个节点的连接，但已经有了未来的计划:“我们希望将我们的测试路线扩展得更远，并在萨克森和巴伐利亚方向建立一个网络。”

图林根州经济部长Wolfgang Tiefensee在评价此次成果时说：“图林根州是量子通信领域的领先地区之一。我们多年来一直专门投资于扩大这些能力。测试路线是朝着这个方向迈出的又一个重要和非常具体的步骤。它将成为全德国安全量子通信基础设施的起点。图林根州及其研究机构和公司将在这方面形成一个中心。”

Fraunhofer IOF表示，测试路线将高度复杂的量子密钥分发(QKD)技术带出实验室，并将其引入真实的日常基础设施中。例如，测试路线使用传统光纤，因为它目前已经在IT基础设施中使用。因此，它可能成为未来在全国范围内实施量子系统的基础。此外，约6公里的测试路线在地面上运行，可以模拟现有网络的场景。

它将量子密钥分发(QKD)的高度复杂技术带出实验室，并将其引入真实的日常基础设施。因此，测试路线使用传统的光纤，例如，因为它已经在it基础设施中使用。因此，这可能是未来在全国范围内实施量子系统的基础。此外，大约6公里的测试路线在地面上运行，允许模拟现有网络的场景。

Tünnermann说：“对于未来的量子网络，在真实的基础设施中测试新系统非常重要，我们的测试路线应该明确向工业和商业合作伙伴开放。对于Fraunhofer IOF，我们希望企业家能够在实际的日常场景中测试和优化他们自己的量子通信系统。”

一直以来，Fraunhofer IOF在研究传输高度安全的量子密钥的各种可能性。作为德国联邦教育和研究部的试点项目QuNET倡议的一部分，已在耶拿建立了一条自由光束链路。量子密钥以自由光束的方式在1.7公里的距离上交换。现在，通过光纤交换量子密钥是实现更长距离的下一步。为了能够以量子安全的方式加密全球通信网络，IOF还设想在未来通过卫星进行交换。

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QKD网络建设，中国领先十几年

当前中国领跑量子通信，可能是一个共识，但领先程度是多少呢？仅从QKD网络建设角度来看，德国和中国的差距应该在十年以上。

早在2007年，中国科学技术大学的潘建伟团队利用诱骗态方案，在国际上首次实现了安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发，从而打开了量子通信技术实用化的大门。

在此基础上，潘建伟团队在2008年和2009年先后实现了国际上首个量子电话网和全通型城域量子通信网络(5节点)。2009年将光学量子密钥分发的安全距离突破至200公里。

再来看德国这条测试线路，光纤距离仅75公里，节点也只有两个，在不算长的距离中密钥速率也才300 bps，显然是一种比较初级的量子密钥分发网络。

从成本来看，德国项目投资1100万欧元，二十多年前中国第一个973量子信息项目拨款2500万元人民币，其主要成果是在北京和天津之间也实现了125公里光纤的量子密钥分发演示性实验。按当前汇率计算，德国项目的投资多了两倍。

中国量子通信发展历程

在卫星量子通信领域，德国从墨子号发射后的第二年就启动了QUBE(使用量子密钥的安全卫星通信)项目，该项目采用体积较小的立方星，而中国墨子号采用的是大型卫星。墨子号从2011年立项到2016年发射，历时5年；而QUBE项目周期4年——从2017年8月到2021年7月)，但这颗卫星到现在仍是未来式。Nanosats Database显示，QUBE当前状态是2022年待发射。

此外，德国又在2019年启动了一项七年计划——QuNET(用于安全通信的基于卫星的量子技术)。这个项目不是单纯的量子密钥分发，它还旨在引领未来的“量子互联网”。因为通过光纤或自由光束传输量子态也可用于有效地互连量子计算机。但根据QUBE的速度，短期可能很难见到成效。

作为对比，目前中国已经开始实施量子星座计划，近期发射的世界首颗量子微纳卫星“济南一号”便是这个计划的一部分。

中国的量子卫星计划在未来五到十年内有两个目标：1）开发3-5个专门用于QKD任务的小型低地轨道卫星，将提供更实用、高效的QKD服务；2）开发一颗中低轨道到地球同步轨道(GEO)的量子科学卫星，以进行更具雄心的科学实验。

未来，中国将是一个具有量子星座和地面光纤网络的全球量子通信基础设施。

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