本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
今年四月，我写了关于量子密码技术（更准确地称为量子密钥分发或QKD）如何走出实验室，并正处于进入实际应用的边缘。当时，许多人认为我谈论的是遥远的未来。然而，正如经常发生的情况一样，人们低估了技术发展的速度。英国剑桥的一个研究小组刚刚发表的一篇论文可能是QKD的 game changer。
QKD的主要反对意见之一是成本。一直以来，有必要使用专用于此任务的光纤电缆（所谓的暗光纤）。使用暗光纤，在没有其他数据信号的情况下，已实现超过 1 Mb/s 的安全密钥速率和超过 250 公里的传输距离。到目前为止，从电信供应商处租赁此类光纤的想法让潜在用户一开始就望而却步。
然而，剑桥团队的成果提供了一种技术，可以将 QKD 用于已经用于其他通信流量的光纤电缆。使用共享光纤的能力突然且出乎许多人的意料，使 QKD 成为一种经济可行的选择，其成本可能与公司安装高端防火墙的成本相差无几。
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QKD 和传统数据流量处于亮度范围的两端。当将传统数据向下传输到光纤时，您尝试使用高功率水平，以便它可以尽可能远地传输，而无需“重复”信号。然而，QKD 需要尽可能低的强度。对于 QKD，我们试图发送和检测单个光子。不仅如此，我们还需要确保我们的传输方法不会干扰光子的“量子态”，而这正是 QKD 赖以存在的基础。
我将使用共享光纤进行 QKD 的任务描述为就像在盯着太阳时试图看到星星一样。一个简单地压倒另一个。
剑桥团队成功地做到了在各种光源之间非常快速且非常干净地切换，以至于可以在携带传统数据的脉冲之间发送和检测非常少量的光子。定时需要非常精确，因为系统打开一个“门”，让单光子通过的时间仅为十亿分之一秒。
诀窍在于，包含 QKD 光子的脉冲必须与探测器协调，以便它们知道何时在数百万个标准数据光子的脉冲之间预期一个 QKD 光子。通过使用如此精确的“时间切片”，现在可以在一瞬间盯着太阳，然后在瞬间看到星星。
宣布的这项技术非常精确，以至于 QKD 的传输速度与使用暗光纤实现的速度没有实质性差异，而标准数据的速率可以保持在每秒千兆位。目前，该方法已成功用于长达 90 公里的光纤，但正如暗光纤上的 QKD 距离已增加到 250 公里一样，这些距离很可能还会延长。毕竟，这只是该技术的首次发布，我们确定的唯一一件事是技术习惯于非常快速地变得更好。
当然，事情永远不像看起来那么简单。光纤电缆会受到一些效应的影响，这些效应可能会对这种时间切片技术产生不利影响，无论它多么精确。一种这样的现象称为拉曼散射。这与人们倾向于设想的光纤电缆中更常见的瑞利散射不同，因为他们想象光子在玻璃纤维的长度上弹跳。在拉曼散射中，不是在纤维的玻璃晶体内部“弹性”地弹跳，从而使光子保持其能量和波长，而是极小一部分光子（百万分之一）被散射，从而使其频率发生变化。这会导致检测问题。
然而，这种现象已得到很好的理解，这些模型高度预测了剑桥团队观察到的情况，并且他们的系统应对良好，并能够进行必要的纠错。事实上，在这些测试中，拉曼散射模型得到了很好的建模，这表明该团队拥有一个他们可以成功控制的环境。如果您可以预测可能发生的错误级别，那么您可以进行必要的更正。您将错误视为噪声，这在通信工程领域是一条行之有效的道路。
更平凡的事情将阻碍这项技术的发展。对于家庭使用，很少有家庭的光纤一直连接到家庭路由器。但是，当然在英国，光纤正在全国各城市的许多街道尽头出现，即使网络的最后一英里仍然是老式的铜线。各国政府都在竞相在其国内推广超高速宽带，这只能意味着基于光纤的网络将激增。也许随之而来的是 QKD 形式的“超安全”网络。
与此同时，光纤网络是大多数互联网骨干提供商和许多公司的基础。随着成本现在与他们为保护网络而购买的许多其他设备处于同一数量级，我们肯定即将看到 QKD 至少成为网络安全领域的一部分。
剑桥研究团队似乎向前迈出了重要一步，虽然旅程远未完成，但我相信这进一步表明 QKD 不再仅仅具有学术意义。它即将成为一种主流的数据网络安全方法。
图片来源： Tommy Moorman，来自 Gary Stix 的《最高机密》，《大众科学》2005 年 1 月号。