最新量子通信芯片問世，縮小了1000倍可用于手機通信安全

　　編譯：凡雪

　　NTU 科學家開發的微型芯片尺寸約為 3mm，與現有的行業標準相比，它使用量子通信算法來提供增強的安全性。

　　同時，它需要比當前的量子通信設置少 1000 倍的空間，從而為更安全的通信技術打開了大門，這些通信技術可以部署在智能手機，平板電腦和智能手表等緊湊型設備中。

　　近日消息，新加坡南洋理工大學（NTU 新加坡）在最新一期《自然·光子學》雜志上撰文稱，他們開發出一種量子通信芯片，盡管其“塊頭”僅為現有裝置的千分之一，但能提供同樣出眾的量子安全技術，可用于智能手機、平板電腦和智能手表等緊湊型設備內，提升其通信安全性。

　　南洋理工大學簡稱南大（NTU），成立于 1981 年（前身南洋大學成立于 1955 年），作為新加坡的一所科研密集型大學，它在納米材料、生物材料、功能性陶瓷和高分子材料等領域研究一直享有盛名。

劉愛群教授（左）和梁川副教授展示嵌入在綠色電路板右下角的 3mm 量子通信芯片

　　此次研究主要是由南洋理工大學劉愛群教授領導，劉愛群教授 1994 獲新加坡國立大學博士學位，現任職于南洋理工大學電氣與電子工程學院，主要研究方向是下一代光通信技術、非線性波導仿真、光纖光柵、WDM 通信系統等。

　　安全通信方法中使用的大多數的安全標準，從 ATM 提取現金到在智能手機上在線購買商品，均未利用量子技術。個人識別碼（PIN）或密碼的電子傳輸可能會被攔截，從而構成安全隱患。

　　NTU 科學家開發的微型芯片尺寸約為 3mm，與現有標準相比，它使用量子通信算法來提供增強的安全性。它通過將密碼集成在所傳遞的信息中來形成安全的「量子密鑰」，從而實現這一目的。收到信息后，它會與密鑰一起銷毀，即「閱后即焚」從而使其成為一種極其安全的通信形式。

　　它所需要的空間也比目前的量子通信設置少 1000 倍，后者可以像冰箱一樣大，甚至占據整個房間或辦公室地板的空間。這為更安全的通信技術打開了大門，這些通信技術可以部署在智能手機，平板電腦和智能手表等緊湊型設備中。它還為在線交易和電子通信的更好的加密方法奠定了基礎。

研究人員表示，最新量子芯片需要的空間僅為目前量子通信設備的千分之一，這為更安全的通信技術打開了大門，可安裝在智能手機、平板電腦和智能手表等緊湊型設備內。此外，它還為用于在線交易和電子通信的更好的加密方法奠定了基礎。劉愛群認為：「在當今世界，網絡安全非常重要，因為我們的許多數據都是以數字方式存儲和通信的。幾乎所有數字平臺和存儲庫都要求用戶輸入密碼和生物識別數據，只要是這種情況，就可能被竊聽或破譯。量子技術消除了這種情況，因為密碼和信息都集成在正在發送的消息中，形成了「量子密鑰」。」

　　梁川解釋說，量子通信通過使用隨機化的代碼串來加密信息而起作用，該信息只能由預期的接收者使用正確的「密鑰」打開。無需傳輸其他密碼或生物特征數據，這是當前通信形式的標準做法。

　　值得一提的是，此前有消息透露，劉愛群科研團隊將這一新款芯片的研發分為 4 步：芯片設計、加工、封裝、量子通信系統搭建。

　　1

　　軍事級通信技術，具有成本效益

　　谷歌和 IBM 等全球最大的科技公司都在競相開發量子超級計算機，它將以現在無法想象的速度徹底改變計算。量子技術的一項備受期待的優勢在于密碼學，即秘密通信的藝術。

　　隨著 Internet 服務的激增，諸如 WhatsApp，非死book，Skype，Snapchat，Telegram 等的電子郵件和消息傳遞平臺已經創建了自己的安全通信渠道，即所謂的「經典渠道」。

　　簡而言之，量子技術不需要「經典渠道」中必需的密碼或生物特征數據的額外傳輸。這消除了被攔截或信息泄漏的風險，從而創建了幾乎不間斷的加密。

　　NTU 研究人員開發的量子通信芯片將具有成本效益，因為它使用諸如硅之類的標準工業材料，這也使其易于制造。

　　劉教授說：「這是通信安全的未來，我們的研究使我們更接近量子計算和通信。這將有助于引發下一代通信設備的創建，并增強數字服務，例如銀行的在線金融門戶網站和數字政府服務。」NTU 團隊現在正在尋求開發傳統光通信系統和量子通信系統的混合網絡。這將改善量子技術的兼容性，該量子技術可用于更廣泛的應用程序，例如互聯網連接。

　　2

　　國內量子通信芯片現狀

　　我國在量子科學方面起步雖不是最早，但卻發展很快。隨著「量子衛星」「京滬干線」等重大項目的建設，我國量子通信技術已躋身全球領先地位。

　　量子通信有兩種方式，一種是利用量子的不可克隆以及測量的隨機特點生成量子密鑰，另一種是利用量子隱形傳態傳送量子比特。目前廣泛采用的是第一種方式，利用量子的不可克隆性，對傳統信息進行加密。

　　近年來，我國在量子通信技術領域不斷突破新記錄。

　　2018 年，清華大學的研究團隊首次實現了 25 個量子接口之間的量子糾纏，打破了先前加州理工學院研究組 4 個量子接口之間糾纏的紀錄。

　　中國科技大學的研究團隊在國際上首次實現 18 個光量子比特的糾纏，刷新了所有物理體系中最大糾纏態制備的世界紀錄。

　　中國和奧地利之間首次實現距離達 7600 公里的洲際量子密鑰分發，并利用共享密鑰實現加密數據傳輸和視頻通信。標志著「墨子號」已具備實現洲際量子保密通信的能力，為未來構建全球化量子通信網絡奠定了堅實基礎。

　　2018 年 5 月，上海交通大學金賢敏研究團隊最新研究成果——世界最大規模的三維集成光量子芯片，并演示了首個真正空間二維的隨機行走量子計算。金賢敏長期致力于以光量子集成芯片為核心，以量子計算、量子通信和量子存儲的芯片化集成的研究和研發。

芯片中的二十組光子陣列里，每組都包含了 2401 根波導

　　2018 年 7 月，中國科學家一舉把量子密集編碼的信道容量紀錄提升到了 2.09，超過了兩維糾纏能達到的理論極限，創造了當前國際最高水平。

20 比特量子芯片

　　2019 年 8 月 10 號，中國學者開發出具有20 個超導量子比特的量子芯片，并成功操控其實現全局糾纏，刷新了固態量子器件中生成糾纏態的量子比特數目的世界紀錄。

　　由于量子比特數和操縱精度，是當前國際量子計算科研的兩大核心難題，可操縱的量子比特數量越多，計算的能力就將隨之呈指數級增長，量子操縱是量子計算的技術制高點，而實現全局糾纏是檢驗操縱是否成功的標志，這種狀態下能夠讓所有量子比特協同工作，大大提升了量子芯片的運行效率。

　　據了解，這項成果由浙江大學、中科院物理所、中科院自動化所、北京計算科學研究中心等國內單位組成的團隊通力合作完成。

　　據前瞻產業研究院發布的《中國量子通信行業市場前瞻與投資策略分析報告》統計數據顯示，預測 2019 年我國量子通信行業市場規模將達 425 億元，并預測在 2023 年我國量子通信行業市場規模將達到 805 億元左右。

　　未來，在實際應用中，量子通信技術憑借其絕對通信安全性質以及傳送信息的快速性、準確性，在今后的一段時期內或將被大范圍推廣及應用到軍事技術中，而其大容量信息傳送和高效快速的性能，可用于涉及秘密數據或票據的金融、電信、電力、電子信息等領域和部門，應用價值和前景非常廣闊。