Sistem Kunci Kuantum China Tahan Gangguan Kuat dan Berkongsi Gentian Optik Sejauh 150 Kilometer

Eksperimen keselamatan kuantum semakin hampir dengan rangkaian telekomunikasi biasa

Satu pasukan penyelidik China telah menunjukkan pengagihan kunci kuantum dengan toleransi hingar sebanyak 425 kilohertz dan menguji penghantaran bersama komunikasi optik konvensional melalui gentian optik sepanjang 150 kilometer. Kajian ini menangani halangan praktikal kepada rangkaian selamat kuantum: memastikan isyarat kuantum yang lemah kekal boleh digunakan apabila berdepan isyarat cahaya yang jauh lebih kuat daripada peralatan telekomunikasi.

Pasukan itu, yang diketuai oleh ahli akademik Guo Guangcan dari University of Science and Technology of China, bekerjasama dengan Makmal Utama Maklumat Kuantum dan Kriptografi Kuantum Wilayah Henan serta Nanjing University of Posts and Telecommunications. Antara penyelidik yang terlibat ialah Han Zhengfu, Chen Wei, Yin Zhenqiang dan Wang Shuang.

Makalah mereka dalam Physical Review Letters, yang diterbitkan oleh American Physical Society pada 30 September 2026, menerangkan sistem yang beroperasi pada frekuensi ulangan 2.5 gigahertz. Makalah itu melaporkan penjanaan kunci selamat dengan bilangan hingar sebanyak 425 kilohertz, empat tertib magnitud melebihi toleransi sistem terpencil, serta kadar kunci selamat pada tahap kilobit sesaat apabila saluran mengalami pengecilan 30 desibel.

Angka-angka ini mengukur aspek prestasi yang berbeza. Frekuensi ulangan menerangkan kadar operasi sistem; bilangan hingar menunjukkan kejadian pengesanan yang tidak dikehendaki; manakala kadar kunci selamat mengukur kunci rahsia yang boleh digunakan selepas pemprosesan. Membezakan angka-angka ini penting untuk memahami apa yang ditunjukkan oleh eksperimen tersebut.

Kemajuan utama menggabungkan kaedah yang dipanggil penyulingan kelebihan dengan pengekodan isyarat pantas dan pengesan semikonduktor kompak. Daripada bergantung sepenuhnya pada perisai untuk melindungi isyarat kuantum daripada hingar, penyelidik turut mengubah cara data kunci yang bising diproses.

Apakah yang dilindungi?

Pengagihan kunci kuantum, atau QKD, membolehkan dua pihak membentuk kunci rahsia bersama menggunakan keadaan kuantum. Kunci itu kemudiannya boleh digunakan untuk menyokong komunikasi tersulit. Eksperimen ini melibatkan pengagihan kunci, bukannya penghantaran mesej biasa pada frekuensi operasi sistem 2.5 gigahertz.

Tarikannya ialah keselamatan teori maklumat: berdasarkan andaian protokol itu, kerahsiaan tidak bergantung pada ketidakupayaan penyerang untuk menyelesaikan masalah matematik yang sukar. Isyarat kuantum dan pemeriksaan semasa penjanaan kunci membolehkan peserta menilai sama ada mereka boleh mendapatkan kunci rahsia daripada ukuran mereka.

Kajian ini menggunakan QKD bebas peranti pengukuran, yang lazimnya disingkatkan sebagai MDI QKD. Keselamatannya tidak memerlukan peralatan pengukuran dipercayai. Hal ini penting kerana pengesan boleh memperkenalkan kelemahan dalam pelaksanaan praktikal, walaupun protokol kuantum yang mendasarinya kukuh.

Istilah ini tidak bermaksud setiap bahagian rangkaian boleh diabaikan atau dianggap selamat. Penyediaan isyarat dan andaian protokol yang lain tetap penting. Manfaat khususnya ialah tidak perlu mempercayai peranti pengukuran, sambil mengekalkan penjanaan kunci rahsia dalam persekitaran optik yang mencabar.

Mengapa cahaya latar menjadi halangan besar

Komunikasi kuantum menggunakan isyarat optik yang amat lemah. Peralatan telekomunikasi konvensional membawa isyarat yang jauh lebih kuat, yang boleh menghasilkan cahaya tambahan melalui kesan tak linear dalam gentian. Cahaya yang tidak dikehendaki itu boleh menyebabkan kejadian pengesanan yang tidak mewakili maklumat kuantum yang dimaksudkan.

Masalah yang timbul bukan sekadar sambungan yang bising. Jika data pengukuran mengandungi terlalu banyak ralat atau terlalu sedikit korelasi berguna, peserta mungkin tidak dapat memperoleh kunci selamat. Oleh itu, sistem boleh beroperasi secara optik tanpa menghasilkan bahan rahsia yang boleh digunakan.

Pautan ruang bebas menghadapi cabaran berkaitan daripada sumber berbeza. Sambungan satelit dan platform seperti dron boleh terdedah kepada cahaya ambien yang kuat, termasuk cahaya matahari. Kajian itu mengenal pasti persekitaran ini sebagai dorongan untuk meningkatkan toleransi hingar, walaupun eksperimen perkongsian gentian sepanjang 150 kilometer yang dilaporkan menggunakan gentian optik.

Penapis membantu menyingkirkan cahaya yang tidak dikehendaki, tetapi keupayaannya terbatas. Penapis juga boleh membuang isyarat berguna dan menambah kerumitan peralatan. Pendekatan pasukan itu menangani masalah pada peringkat fizikal dan pemprosesan data, dengan menggabungkan pengesanan hingar rendah dan kaedah yang bertujuan memperoleh kunci rahsia daripada rekod pengukuran yang lebih bising.

Bagaimana penyulingan kelebihan mengubah pengiraan

Penyulingan kelebihan memproses data kunci mentah dalam kumpulan untuk meningkatkan korelasi yang boleh digunakan bagi menjana kunci rahsia. Data mentah ialah rekod awal yang dihasilkan sebelum peserta menyelesaikan pemeriksaan dan pemprosesan yang diperlukan untuk membentuk kunci rahsia yang boleh digunakan.

Prinsipnya ialah pemprosesan secara terpilih. Daripada menganggap setiap unsur kunci mentah sama bergunanya, kaedah ini menggunakan hubungan dalam kumpulan untuk mengekalkan data yang lebih sesuai bagi menghasilkan kunci rahsia. Kaedah ini tidak dapat menjadikan sebarang hingar tidak berbahaya, tetapi boleh meluaskan keadaan yang membolehkan kerahsiaan berguna diperoleh.

Penyelidik membangunkan kaedah pengiraan panjang kunci terhingga bagi penyulingan kelebihan untuk sistem mereka. Ini menangani perbezaan praktikal yang penting: eksperimen mengumpulkan data dalam jumlah terhad, manakala pengiraan teori mungkin mengandaikan set data yang saiznya tidak terhad. Keselamatan dan prestasi perlu mengambil kira ketidakpastian statistik yang berkaitan dengan pengumpulan data terhingga.

Keutamaan yang dilaporkan ialah pelaksanaan praktikal MDI QKD berasaskan penyulingan kelebihan, yang disokong oleh kajian teori dan perkakasan eksperimen ini. Ia bukan dakwaan bahawa penyulingan kelebihan itu sendiri dicipta dalam kajian ini.

Perkakasan tetap penting kerana pemprosesan data tidak dapat menggantikan keperluan untuk mendapatkan ukuran yang boleh digunakan. Pengekodan selari pantas membekalkan isyarat kuantum pada kelajuan tinggi, manakala pengesan foton tunggal semikonduktor kompak menyokong pengesanan hingar rendah tanpa peralatan pengesanan yang besar dan menggunakan banyak sumber seperti yang dibincangkan dalam makalah itu.

Apakah yang sebenarnya ditunjukkan oleh angka prestasi?

Ambang hingar sistem sebanyak 425 kilohertz bersamaan dengan 425,000 kiraan hingar sesaat. Makalah itu melaporkan bahawa kunci selamat masih boleh dijana pada beban hingar tersebut. Ini ialah kadar kiraan pengesanan, bukannya ukuran kuasa optik atau kelajuan mesej disulitkan.

Empat tertib magnitud bermaksud faktor 10,000. Oleh itu, perbandingan dalam kajian itu menunjukkan peningkatan toleransi hingar yang sangat besar berbanding sistem terpencil yang dijadikan rujukan. Angka itu tidak wajar dianggap sebagai nisbah prestasi sejagat berbanding setiap pemasangan QKD sedia ada.

Peningkatan keupayaan penjanaan kunci selamat yang dilaporkan ialah dua tertib magnitud, atau faktor 100. Ini merupakan hasil yang berasingan daripada peningkatan toleransi hingar sebanyak 10,000 kali. Satu mengukur keupayaan menghasilkan kunci selamat, manakala satu lagi mengukur jumlah hingar yang mampu ditahan oleh sistem.

Pada 2.5 gigahertz, sistem beroperasi pada 2.5 bilion ulangan sesaat. Output kunci selamat akhirnya jauh lebih rendah kerana kehilangan optik, kejadian pengukuran yang berjaya dan pemprosesan keselamatan menentukan jumlah maklumat rahsia yang boleh digunakan dan dikekalkan. Makalah itu melaporkan output pada tahap kilobit sesaat apabila pengecilan mencapai 30 desibel, tanpa menyatakan kadar tepat dalam abstraknya.

Kehilangan 30 desibel dan perkongsian gentian sepanjang 150 kilometer

Pengecilan saluran sebanyak 30 desibel bermaksud kuasa optik berkurang dengan faktor 1,000, lalu meninggalkan seperseribu kuasa input selepas kehilangan yang dinyatakan. Penghasilan kunci selamat pada tahap kilobit sesaat dalam keadaan tersebut menunjukkan sistem dapat beroperasi walaupun kehilangan isyaratnya besar.

Demonstrasi perkongsian gentian yang berasingan menghubungkan sistem kuantum dengan peralatan komunikasi optik sedia ada yang disediakan oleh China Unicom. Pengagihan kunci kuantum dan komunikasi optik konvensional dihantar melalui gentian yang sama sejauh 150 kilometer, jarak yang relevan untuk sambungan antara bandar.

Perkongsian gentian merupakan ujian praktikal kerana rangkaian kuantum tidak semestinya boleh bergantung pada laluan optik yang dikhaskan sepenuhnya untuk isyarat kuantum yang lemah. Perkongsian ini mendedahkan sistem kepada peralatan dan cahaya yang lebih kuat, seperti yang digunakan dalam komunikasi konvensional.

Abstrak yang diterbitkan dan huraian eksperimen menetapkan ambang hingar, kadar kunci di bawah pengecilan dan jarak gentian yang dikongsi. Namun, maklumat itu tidak membuktikan bahawa beban hingar maksimum, penanda aras pengecilan yang dinyatakan dan penghantaran sejauh 150 kilometer semuanya dicapai serentak dalam keadaan operasi yang sama. Menganggapnya sebagai penanda aras berasingan yang dilaporkan mengelakkan hasil kajian daripada diperbesar-besarkan.

Tarikh penerbitan dan batas dakwaan penggunaan

Kajian itu diterbitkan dalam Physical Review Letters sebelum laporan susulan mengenai kerjasama tersebut dan eksperimen China Unicom. Urutan penerbitannya ialah:

• 30 September 2026: Makalah itu diterbitkan dalam Physical Review Letters, dengan laporan mengenai sistem 2.5 gigahertz, toleransi hingar 425 kilohertz dan penjanaan kunci selamat di bawah pengecilan 30 desibel.
• 9 Oktober 2026: Laporan susulan menghuraikan institusi yang mengambil bahagian dan demonstrasi perkongsian gentian sepanjang 150 kilometer menggunakan peralatan China Unicom.

Gabungan pengesanan kompak, kelajuan operasi tinggi, toleransi terhadap hingar latar dan penghantaran melalui gentian yang dikongsi menangani beberapa keperluan praktikal secara serentak. Makalah akademik itu mengemukakan sistem tersebut sebagai penyelesaian untuk menggunakan rangkaian selamat kuantum dengan keselamatan kukuh, output kunci yang berguna dan daya tahan terhadap hingar persekitaran.

Kesimpulan itu lebih luas daripada bukti bahawa perkhidmatan komersial rutin telah tersedia. Butiran yang dilaporkan tidak menyatakan kos peralatan, tempoh operasi berterusan, keperluan penyelenggaraan atau jadual penggunaan rangkaian. Ia juga tidak membuktikan adanya demonstrasi satelit atau dron. Persekitaran tersebut mendorong penyelidikan ini, tetapi hasil konkrit perkongsian rangkaian melibatkan gentian optik.

Perubahan kepada komunikasi kuantum praktikal

Hubungan paling berguna antara hasil-hasil kajian ini ialah toleransi hingar dan keserasian dengan infrastruktur sedia ada ditangani dalam program penyelidikan yang sama. Sistem pantas yang terhad kepada persekitaran terpencil menyelesaikan masalah yang berbeza daripada sistem yang boleh berkongsi gentian dengan peralatan komunikasi biasa.

Kajian ini juga menunjukkan sebab frekuensi operasi sahaja tidak mencukupi untuk mengukur kemajuan. Nilai praktikalnya bergantung pada sama ada kelajuan itu boleh menghasilkan kunci selamat selepas kehilangan, pengesanan yang tidak dikehendaki dan pemprosesan data terhingga diambil kira. Kaedah penyulingan kelebihan membantu menghubungkan operasi perkakasan pantas dengan output berguna dalam keadaan bising.

Ujian sejauh 150 kilometer memberikan contoh konkrit tentang tempat kemajuan ini mungkin membawa manfaat: komunikasi antara bandar menggunakan infrastruktur optik yang dikongsi. Penilaian seterusnya terhadap kesediaan penggunaan memerlukan butiran operasi yang tidak terdapat dalam hasil ini, termasuk prestasi berterusan dan kos. Tiada tarikh akhir penggunaan atau tarikh ujian seterusnya dinyatakan.

Perkara Utama

• University of Science and Technology of China dan rakan-rakannya menunjukkan MDI QKD menggunakan penyulingan kelebihan dan pengesan semikonduktor kompak.
• Sistem ini beroperasi pada 2.5 gigahertz dan menjana kunci selamat dengan kiraan hingar sebanyak 425 kilohertz.
• Toleransi hingar yang dilaporkan meningkat sebanyak empat tertib magnitud, bersamaan faktor 10,000 berbanding sistem rujukan yang dinyatakan.
• Makalah itu melaporkan kadar kunci selamat pada tahap kilobit sesaat apabila pengecilan saluran mencapai 30 desibel.
• Satu demonstrasi berasingan menggunakan peralatan komunikasi optik China Unicom untuk penghantaran melalui gentian yang dikongsi sejauh 150 kilometer.
• Hasil ini tidak membuktikan operasi komersial rutin, jadual penggunaan atau pautan satelit yang telah didemonstrasikan.