本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
今年四月，我寫了關於量子密碼技術（更準確地稱為量子金鑰分發或QKD）如何走出實驗室，並正處於進入實際應用的邊緣。當時，許多人認為我談論的是遙遠的未來。然而，正如經常發生的情況一樣，人們低估了技術發展的速度。英國劍橋的一個研究小組剛剛發表的一篇論文可能是QKD的 game changer。
QKD的主要反對意見之一是成本。一直以來，有必要使用專用於此任務的光纖電纜（所謂的暗光纖）。使用暗光纖，在沒有其他資料訊號的情況下，已實現超過 1 Mb/s 的安全金鑰速率和超過 250 公里的傳輸距離。到目前為止，從電信供應商處租賃此類光纖的想法讓潛在使用者一開始就望而卻步。
然而，劍橋團隊的成果提供了一種技術，可以將 QKD 用於已經用於其他通訊流量的光纖電纜。使用共享光纖的能力突然且出乎許多人的意料，使 QKD 成為一種經濟可行的選擇，其成本可能與公司安裝高階防火牆的成本相差無幾。
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QKD 和傳統資料流量處於亮度範圍的兩端。當將傳統資料向下傳輸到光纖時，您嘗試使用高功率水平，以便它可以儘可能遠地傳輸，而無需“重複”訊號。然而，QKD 需要儘可能低的強度。對於 QKD，我們試圖傳送和檢測單個光子。不僅如此，我們還需要確保我們的傳輸方法不會干擾光子的“量子態”，而這正是 QKD 賴以存在的基礎。
我將使用共享光纖進行 QKD 的任務描述為就像在盯著太陽時試圖看到星星一樣。一個簡單地壓倒另一個。
劍橋團隊成功地做到了在各種光源之間非常快速且非常乾淨地切換，以至於可以在攜帶傳統資料的脈衝之間傳送和檢測非常少量的光子。定時需要非常精確，因為系統開啟一個“門”，讓單光子透過的時間僅為十億分之一秒。
訣竅在於，包含 QKD 光子的脈衝必須與探測器協調，以便它們知道何時在數百萬個標準資料光子的脈衝之間預期一個 QKD 光子。透過使用如此精確的“時間切片”，現在可以在一瞬間盯著太陽，然後在瞬間看到星星。
宣佈的這項技術非常精確，以至於 QKD 的傳輸速度與使用暗光纖實現的速度沒有實質性差異，而標準資料的速率可以保持在每秒千兆位。目前，該方法已成功用於長達 90 公里的光纖，但正如暗光纖上的 QKD 距離已增加到 250 公里一樣，這些距離很可能還會延長。畢竟，這只是該技術的首次釋出，我們確定的唯一一件事是技術習慣於非常快速地變得更好。
當然，事情永遠不像看起來那麼簡單。光纖電纜會受到一些效應的影響，這些效應可能會對這種時間切片技術產生不利影響，無論它多麼精確。一種這樣的現象稱為拉曼散射。這與人們傾向於設想的光纖電纜中更常見的瑞利散射不同，因為他們想象光子在玻璃纖維的長度上彈跳。在拉曼散射中，不是在纖維的玻璃晶體內部“彈性”地彈跳，從而使光子保持其能量和波長，而是極小一部分光子（百萬分之一）被散射，從而使其頻率發生變化。這會導致檢測問題。
然而，這種現象已得到很好的理解，這些模型高度預測了劍橋團隊觀察到的情況，並且他們的系統應對良好，並能夠進行必要的糾錯。事實上，在這些測試中，拉曼散射模型得到了很好的建模，這表明該團隊擁有一個他們可以成功控制的環境。如果您可以預測可能發生的錯誤級別，那麼您可以進行必要的更正。您將錯誤視為噪聲，這在通訊工程領域是一條行之有效的道路。
更平凡的事情將阻礙這項技術的發展。對於家庭使用，很少有家庭的光纖一直連線到家庭路由器。但是，當然在英國，光纖正在全國各城市的許多街道盡頭出現，即使網路的最後一英里仍然是老式的銅線。各國政府都在競相在其國內推廣超高速寬頻，這隻能意味著基於光纖的網路將激增。也許隨之而來的是 QKD 形式的“超安全”網路。
與此同時，光纖網路是大多數網際網路骨幹提供商和許多公司的基礎。隨著成本現在與他們為保護網路而購買的許多其他裝置處於同一數量級，我們肯定即將看到 QKD 至少成為網路安全領域的一部分。
劍橋研究團隊似乎向前邁出了重要一步，雖然旅程遠未完成，但我相信這進一步表明 QKD 不再僅僅具有學術意義。它即將成為一種主流的資料網路安全方法。
圖片來源： Tommy Moorman，來自 Gary Stix 的《最高機密》，《大眾科學》2005 年 1 月號。