突破光学限制：THZ技术助力量子网络安全

一项利用太赫兹波分发加密密钥的新方法，有望为未来量子驱动的互联网提供安全通信保障。格拉斯哥大学的工程师们正率先开发一种新型量子密钥分发方法，该方法采用适配自移动与WiFi网络的无线通信系统来传输太赫兹波。

太赫兹方案：现行量子密钥分发的替代之选

该成果发表于IEEE Transactions on Quantum Engineering，结果表明，所提出的系统可作为基于激光束和光纤基础设施的传统量子密钥分发平台的高保真、高能效替代方案，凸显了安全量子通信向光学领域之外大幅拓展的潜力。

当前，互联网通信采用传输层安全协议等多种方法，确保在传输过程中被截获的机间消息不易解密。然而，正持续发展的量子计算机——利用量子物理之力实现远超传统数字机器的性能——也对传统加密构成威胁。

量子计算机预计将能凭借其先进算力轻易破解多种加密形式。网络安全研究者长期致力于量子密钥分发这一更安全的加密方式，一旦量子计算机开始在互联网上互传数据，它将为通信隐私保驾护航。

太赫兹系统如何运作

论文中，格拉斯哥团队展示了他们如何模拟并建模一套利用相干太赫兹波的新系统性能，并在为说明该技术的三种典型实际应用场景而选定的三种环境中，实现量子密钥分发。

论文通讯作者、格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院的Kaveh Delfanazari博士表示："构建量子互联网是一项重大科学与工程挑战，因为量子计算机对热波动、电磁噪声及环境干扰高度敏感。这些效应会迅速摧毁脆弱的量子态，使量子系统间的可靠安全通信极为困难。克服这一挑战对于实现大规模量子网络、分布式量子计算及下一代安全通信至关重要。我们在格拉斯哥大学研究太赫兹量子通信技术已有一段时间。通过这个项目，我们渴望探索太赫兹技术作为量子未来之基石的潜力——这一未来正是全球科学家当下正在奠定的。这虽是一篇概念论文，但有扎实的模拟为支撑，我们对结果感到振奋。"

关键硬件与传输技术

论文及其底层模拟提出了一套基于超导约瑟夫森结相干发射器的硬件系统，这是一种产生量子太赫兹波的紧凑型低功耗器件。

模拟中发射器产生的模型波采用正交频分复用技术进行传输，该技术最初为4G、5G移动网络及WiFi开发。正交频分复用将信号分割到众多并行的子载波上，使得单次突发即可发送更多受量子密钥分发保护的数据。

不同环境中的性能表现

研究者模拟了该系统在露天、太空及超冷电缆中的性能。在普通室内或室外场所，大气水蒸气会限制太赫兹技术的性能，系统可相干传输约四米——足以在数据中心或量子计算机内部实现高质量通信。

在太空中，未来卫星可不受大气影响共享量子通信，团队表明该系统可实现逾100公里的安全通信。在类似量子硬件内部可能使用的低温冷却电缆中，团队模拟结果显示，利用太赫兹波可将安全信息传输至远达26公里。

迈向实际部署的后续步骤

论文第一作者、格拉斯哥大学博士生Mingqi Zhang表示："我们相信，我们的建模工作清晰展现了太赫兹技术在三种挑战性环境中实现高性能量子密钥分发的潜力。我们的下一步是着手构建可在实验室及现实世界测试的物理系统，以此验证结果并开始攻克模拟中已识别出的一些局限。我们已开始采取行动推动此事，并期待在这一充满前景的领域继续研究。"

相关内容：https://ieeexplore.ieee.org/document/11417762/