量子密码：当光成为明日数字堡垒牢不可破之锁
我们正站在一场数字范式转变的临界点。科技进步的滚滚洪流正将我们带入量子时代，一个充满无限希望与严峻挑战的新纪元。量子计算，这个曾经只存在于抽象理论推演中的概念，正迅速演变为触手可及的现实，它有可能彻底颠覆材料科学、人工智能、医学等诸多领域。然而，在这巨大潜能的背后，隐藏着对网络安全的深远威胁——它可能从根本上瓦解我们赖以保护金融系统、个人数据和机密通信的加密方法。
当今的密码安全体系，建立在经典计算机在合理时间内无法破解的数学难题之上。这些精密的算法，保护着从银行交易到国家机密的一切。然而，利用量子力学那看似怪异却威力无穷的定律，量子计算机有潜力轻而易举地瓦解这些防御。曾经作为我们数字盾牌的计算复杂度，如今面临崩塌的风险，敏感数据正暴露在量子解密技术的威胁之下。
为了应对这场迫在眉睫的危机，全球的研究人员正竞相开发量子安全网络——一种利用量子力学基本属性构建的通信系统，其加密方式不仅强大，而且从根本上是不可破解。其中，汉诺威莱布尼茨大学的科学家们走在前列，他们在量子密钥分发（QKD）领域取得了突破性的创新。他们于2025年1月16日在《光：科学与应用》杂志上发表的最新研究，引入了一种先进的频率箱编码技术。这种新颖的方法，用不同光频率编码信息，取代了传统基于偏振的量子加密——类似于利用光的“颜色”来保护数据。
这种看似细微的转变，却释放出巨大的优势。频率箱编码不仅增强了安全性，还简化了硬件要求、降低了成本并提高了可扩展性——这些都是未来部署实际量子网络的关键因素。该方法无需多个光子探测器和复杂的偏振系统，就能实现更高效、更经济的安全通信。这项工作由米歇尔·库斯（Michael Kues）教授指导，是阿娜希塔·霍达达德·卡什（Anahita Khodadad Kashi）博士的研究一部分。
与阿娜希塔·霍达达德·卡什（Anahita Khodadad Kashi）博士的对话
问：您能否介绍一下您的学术旅程以及是什么吸引您投身量子光子学领域？
“Kashi博士回忆道，’量子科学最初吸引我是它提供的反直觉洞见，改变了我们对现实常规认知的能力。作为量子光子学领域的博士研究员，我一直被量子力学在保障日常通信安全方面的变革潜力所吸引。我的研究集中在光子量子信息处理和量子增强安全系统上，专注于利用纠缠——光子之间的非经典、非局域相关性——来实现量子密钥分发协议的可扩展实施。我还研究光子统计学，将理论模型与实验实施相结合，探索如何将研究转化为有意义的应用。我的研究成果已发表在顶级期刊上，并在国际认可的会议上进行过展示。'”
问：量子计算机对传统加密构成了什么样的严重威胁，数据完整性面临哪些危险？
“Kashi博士的语气变得坚定：’当今的通信安全依赖于计算上难以处理的数学问题，由于其指数级复杂性和巨大能源需求，经典计算机无法在可行的时间范围内解决这些问题。然而，量子计算机和先进的量子协议大大降低了这种复杂性，对现有的密码防护构成了深刻威胁。危险在哪里？金融系统的数据、医疗记录和敏感的政府机密将在量子解密的力量下暴露无遗。'”
问：是什么启发了您和Michael Kues教授博士探索基于频率箱编码的纠缠量子密钥分发技术？
“基于纠缠的量子密钥建立技术有望彻底改变安全通信领域，”Kashi博士深思熟虑地说道，她的言辞中闪烁着无限可能。”然而，这项技术的实际应用仍面临挑战，因为纠缠质量会随距离增加而下降，阻碍了大规模部署。更为棘手的是，随着量子网络规模扩大，硬件成本上升、系统复杂性增加以及安全风险提高等问题都对可扩展性构成了挑战。尽管该领域已取得显著成就，但全球性基于纠缠的量子密钥分发网络仍缺乏可扩展解决方案，这促使我们充分利用频率编码方面的专业知识，展示这一技术在解决可扩展性问题上的潜力。”
问：您能详述频率箱编码及其在增强量子密钥分发安全性方面的作用吗？
“Kashi博士解释道，’在光子量子网络中，光子是我们的信息载体。频率——光子的色调——成为编码和处理量子信息的自由度。通过利用频率的多模式特性，我们可以在光子光谱中定义任意（但有限）数量的’频率箱’，利用频率箱之间的纠缠建立量子通道，实现安全密钥交换。关键是，这与尖端电信基础设施相吻合，建立在最先进的技术发展之上。我们的频率箱方法为用户分配多个通道，在不降低安全性的前提下提高密钥交换速率——这与增加激发功率不同，后者必然伴随着更高的错误率。我们开发了一个动态、资源高效的量子密钥分发网络，减少了对多个探测器和基底分析器的需求，通过最小化由暗计数和探测概率不匹配引起的探测侧攻击漏洞，增强了安全性。'”
问：作为编码维度的频率如何在抵抗环境噪声方面优于偏振？
“偏振仅限于二维空间，且在光纤系统中容易发生退相干，”Kashi博士指出。”然而，频率与标准光纤通信组件兼容，提供多维编码能力，本质上更能抵抗噪声。此外，天然更高的相位稳定性使频率对环境波动更具鲁棒性，使其成为长距离光纤量子通信的有前途候选者。”
问：您能描述一下频率到时间转换技术及其在使用单一探测器测量量子态中的作用吗？
“Kashi博士解释道，’量子通信协议，包括量子密钥分发，依赖随机投影测量来保证安全性——通常每个基底需要两个探测器，对于二维加密，每个用户总共需要四个探测器。这种硬件开销呈指数增长，阻碍了可扩展性，并增加了对探测侧攻击的脆弱性。我们的频率到时间映射技术基于使用色散位移光纤创建光子光谱的时间分辨副本，使在单个脉冲内同时检测多个投影状态成为可能——仅使用一个探测器。这简化了复杂性，增强了安全性，并开启了可扩展网络。'”
问：您的方法显著降低了组件成本。这方法如何提高量子网络的可行性和可扩展性？
“通过减少探测器和分析器的需求，我们实现了资源效率和增强的安全性，”Kashi博士肯定地说。”这种成本降低和减轻的复杂性与硬件开销解锁了可扩展性，使量子网络对全球采用变得可行。”
问：自适应频率分割复用如何提高密钥分发速率并动态优化网络性能？
“自适应频率复用允许我们在可用带宽内定义和分配任意（但有限）数量的频率通道，灵活地将它们分配给用户，”她解释道。”此动态调整密钥交换负载而不牺牲安全性，使多通道同时安全密钥建立成为可能。”
问：您的方法如何实现可扩展、资源优化的量子网络，支持多用户跨越广阔距离？
“通过每个用户仅需一个探测器和一个基底分析器——而使用偏振的替代方案分别需要十二个和六个——我们在利用动态复用的同时最小化资源，”Kashi博士说。”这种设计支持多用户，并扩展了跨大距离的安全密钥分发。”
问：您设想这项技术在银行和医疗保健等关键领域有哪些变革性应用？
“随着量子计算机的出现，建立在数学难题基础上的经典密码学将让位于量子协议，”Kashi博士预测。”在医疗保健领域，这确保了患者数据的保护，防止未授权访问。银行和政府部门将受益于量子增强计算，从海量数据集中精确预测客户行为模式。然而，分布式量子计算依赖于成熟的量子通信技术，包括量子中继器和量子存储器，这些都需要进一步的研究和投资。”
问：纳米光子学和量子光学的进一步探索如何增强多维量子信息编码？
“纳米光子学和高效的片上集成可以彻底改变量子通信，”她展望道。”通过减少纳米结构波导中的传输损耗，我们可以提高密钥速率。在基于纳米光子设计的量子中继器中，量子存储器高效存储和检索量子态的能力可以增强，使我们更接近实用、可扩展的系统。”
问：您的研究前景如何，您预期超安全量子通信会有哪些突破？
“展望未来，我们的下一个目标是在更长距离和多用户之间扩展安全密钥分发，”Kashi博士说道。
随着量子革命的展开，未来的研究将在Michael Kues教授博士研究小组及其实验室中进行，Kashi博士在那里担任博士后研究员。”