量子加密新突破：光與色打造牢不可破的網路安全

隨著量子電腦的崛起，傳統加密技術面臨前所未有的挑戰。為了應對這一威脅，全球研究人員正致力於開發量子網路，利用量子力學原理實現超安全的通訊。德國漢諾威萊布尼茲大學的科學家們近期取得重大突破，他們利用光頻率技術，大幅提升了量子金鑰分發的效率，為未來可擴充套件的量子網際網路基礎設施鋪平了道路。

現今的網路安全正面臨一個嚴峻的挑戰：量子電腦可能破解現有的最強加密技術，使敏感資料暴露於風險之中。為此，研究人員正積極開發量子網路，這些網路一旦完全開發並全球互聯，將形成量子網際網路，提供無法攔截或解碼的加密通訊。然而，大規模部署仍面臨高成本、高能耗及技術複雜性等問題。

在漢諾威萊布尼茲大學光子學研究所，兩位研究人員提出了一種創新方法。他們開發了一種基於糾纏態的量子金鑰分發技術，利用頻率箱編碼（frequency-bin coding）將量子資訊編入不同的光頻率（顏色）中。這種方法不僅提升了安全性，還提高了資源利用效率。

「我們的方法有望在未來實現量子網路的擴充套件，同時使用更少的資源連線更多使用者，並覆蓋更遠的距離。」光子學研究所所長、PhoenixD卓越叢集董事會成員Michael Kues教授解釋道。光學技術和光子量子位元的研究是該大學的重點研究領域之一。

「與偏振相比，頻率對噪音的抵抗力更強，這使得環境因素如溫度波動和光纖中的機械振動對金鑰傳輸的幹擾大幅降低。」光子學研究所博士生Anahita Khodadad Kashi表示。「第二個優勢是，使用頻率技術簡化了流程，從而降低了成本。」

研究人員成功使用單一探測器測量光粒子的量子態，取代了原本需要四個高靈敏度光子探測器的複雜系統。他們採用了一種稱為頻率到時間轉換的方法，將頻率成分對映到光子到達探測器的時間上。Kues教授指出，這使得標準電信元件的成本從約10萬歐元降至四分之一。此外，系統對探測器攻擊的脆弱性降低，安全性進一步提升。

該方法不僅使用單一通道，還同時利用多個通道進行操作。這種自適應頻率分割多工技術（adaptive frequency division multiplexing）在不增加額外技術裝置的情況下，提高了金鑰分發速率。「這種方法使量子網路的效能能夠動態適應當前負載。」Khodadad Kashi解釋道。「未來，我們的方法將實現多使用者之間的動態、資源最小化的量子金鑰分發，這將使量子網路更具擴充套件性。」

Kues教授認為，量子網路將成為關鍵IT基礎設施的重要組成部分，特別是在銀行和醫療等領域。他強調，未來需要進一步研究奈米光子學與量子光學的相互作用，以開發更多方法和元件，生成多維量子資訊編碼所需的廣泛量子態。「隨著量子網路的發展，我們將在未來體驗到量子通訊在連線性、容量、範圍和安全性上的全新品質。」Kues教授總結道。

這項研究由TÜV Nord / Alter Technology、德國聯邦教育與研究部（BMBF）以及歐洲研究委員會（ERC）資助，研究成果已發表於《Light: Science & Applications》期刊。