大家能用上量子通信的日子，或许真的不远了 。

不过，先别想着它能让你上网更快，它现在的“超能力”是制造绝对安全的“密钥”——也就是密码本。有了这种靠物理定律作保、谁偷看谁暴露的量子密钥，我们的信息传输才能真正高枕无忧。

就在不久前，德国的科学家朝着这个目标，干了件大事：在法兰克福和凯尔镇之间，他们用253.9公里长的普通商用光纤，成功演示了这样一次“密钥制造”过程 ！ 

德国科学家部署的量子通信系统 | 《自然》

跟“墨子号”量子卫星动辄上千公里的星地传输，或者2021年东芝在实验室专用光纤里创下的600公里记录相比，这距离似乎不算特别突出。

没错，但这次实验的真正突破，在于它的“实用性”！

这项由米尔科·皮塔卢加（Mirko Pittaluga）和他的团队完成、并发表在顶尖期刊《自然》杂志上的成果，并没有依赖那些极其昂贵、需要特殊条件的“实验室装备”，比如庞大笨重的超稳激光器，或者需要冷却到接近绝对零度（零下270℃左右）的超导探测器。相反，他们用非常巧妙的技术，让脆弱的量子信号在充满噪声的现实世界光纤网络中稳定了下来。

他们使用的核心器件，比如激光器和光子探测器，更接近我们现有的通信设备——特别是探测器，只需要适度冷却（比如零下几十度，高级“冰柜”就能做到），而不需要极端低温。

这意味着，这套系统的成本、体积、功耗都大大降低，更容易集成到我们现有的电信机房和光纤网络中。

光纤管道 | FOA光纤协会

正是这种将尖端科技“拽”出实验室、融入现实基础设施的潜力，让这项成果意义非凡。

它为未来构建更安全的网络通信，甚至畅想中的量子互联网、量子中继和分布式量子计算，都铺设了更坚实的一步。

如果这样的技术能够推广，我们或许真的可以拥有理论上绝对无法被破解、无法被窃听的安全通信方式了。

这篇论文的第一作者Mirko·Pittaluga | wave photonics

那么，这种“绝对安全”的底气从何而来？这就要说到“量子”本身了。

“量子”，在物理学上，指的是构成物质和能量的、不可再分割的最小单元——比如，一束光里单独的一个光子，就是一个量子。而这些微观粒子，遵循着一套与我们宏观世界截然不同的、甚至有些古怪的规则。

其中最关键的一条规则就是：对于一个脆弱的量子态，任何“偷看”（测量）的行为，都必然会干扰它，甚至改变它。这就像你试图悄悄碰一下一个悬在半空的肥皂泡，哪怕再小心，也一定会留下痕迹，甚至可能直接让它破掉。量子世界的粒子就是这么“敏感”和“害羞”。

正是利用了量子的这种特性，科学家设计出了量子密钥分发（QKD）的巧妙方法。下面我们用一个简化的故事来理解一下（别担心会看不懂，后面还有更精简的版本）。

隔空造“密码本”的故事

爱丽丝（Alice）和鲍勃（Bob）住在两个山头，隔山相望。他们想要讲些悄悄话，既嫌下山麻烦，又不愿意被偷听，有什么好办法呢？

上山容易下山难 | Giphy

他们十分谨慎，决定使用最靠谱的量子通信，建立一条绝对安全的通信线路。他们不需要直接用量子信号传递信息内容，而是要先一起“造”一个只有他俩知道的、足够长的随机密码本（密钥）。

他们俩约定，各自随机生成一大串0和1的数字。然后，根据自己手里的数字，分别向中间山谷里的查理（Charlie）发送一连串极其微弱的“量子光脉冲”。这些光脉冲的状态（比如光的相位，可以想象成光波的“步调”）就携带了他们想表达的“0”或“1”的信息。

关键来了：查理的任务不是去解读这些脉冲到底代表0还是1。他只需要在他那里，让来自爱丽丝和鲍勃的成对光脉冲相遇，看看会发生什么样的干涉（就像两排水波交汇）。查理只需要记录下每次干涉的结果——比如，某个探测器亮了还是没亮——然后把这个结果公开告诉爱丽丝和鲍勃。

听到查理公布的结果后，爱丽丝和鲍勃比对一下自己当时发送的是什么，就能判断这一次“脉冲相遇”是否有效。比如，可能只有当查理说“1号探测器响了”，他们才把各自对应的那个随机数字保留下来，作为密码本上的一位。而查理公布的其他结果，对应的数字就作废。

这样一来——

查理不知道密钥：他只知道干涉结果，不知道爱丽丝和鲍勃各自发出的是0还是1，更无法拼凑出最终的密钥。

偷听者会被发现：如果有人在半路上（爱丽丝到查理，或鲍勃到查理）试图拦截、测量这些脆弱的量子光脉冲，就一定会干扰它们的状态。这种干扰会导致查理那边观测到的干涉结果发生异常，或者让爱丽丝和鲍勃最终生成的密码本对不上。只要他俩在生成密钥后，随机挑一小部分进行比对，就能立刻发现错误率是否过高。一旦发现异常，就说明刚才有人偷听，这对密钥不安全，需要立刻废弃，重新再来一次。

在量子加密下，再怎么藏也无所遁形 | Giphy

看到了吗？量子密钥的安全性，不是靠数学计算的复杂性，而是靠物理规律来保证“一偷听就暴露”。

长距离传输的挑战

不过，既然量子态这么“娇气”，想让它们穿越几百公里的光纤而不“变形”，可就太难了！

光纤本身并不是一个安静的通道，温度的微小变化、周围环境的震动，都会让光纤发生微小的拉伸或挤压，这就会干扰在其中飞驰的光子的“步调”。如果爱丽丝和鲍勃发出的光子到达查理那里时，“步调”乱了，干涉就不会准确，密钥也就生成不了，或者错误率高到无法使用。

这就是为什么长距离的光纤量子通信如此困难。以前要想实现几百公里级别的传输，要么借助几乎没有干扰的太空（比如量子卫星），要么就得在实验室里，动用非常复杂和昂贵的设备来创造极其稳定的环境，比如把探测器冷却到接近绝对零度。

墨子号量子卫星，能实现上千公里的量子通信 | 《科学》Science

而这次德国团队的厉害之处，就在于他们找到了一种在普通、嘈杂的商用光纤里稳定传输量子信号的巧妙方法。

他们的核心技术之一，叫做“离带相位稳定”（Off-band phase stabilization）。简单理解，就像是在发送脆弱的“量子信号”的同时，还发送了一束能量更强、波长略有不同的“导航”或“校准”信号。

这两束光一起在光纤里传播，经历的扰动几乎是一样的。在接收端（查理那里），系统可以实时监测这束强的“导航信号”的相位漂移了多少，然后通过一个快速反馈系统，反向补偿这个漂移。因为量子信号和导航信号经历的扰动相同，补偿了导航信号，也就等于间接补偿了量子信号的相位漂移，让它能保持精准的“步调”，顺利完成干涉任务。

就用不同频率的激光来稳定光量子吧（示意图） | Wikipedia

再加上前面提到的，他们使用了更实用的雪崩光电二极管（APD）探测器，只需要零下几十度的制冷，大大降低了对极端低温环境的依赖。 

正是这些技术的结合，让他们在现实世界的光纤网络中，实现了254公里距离的稳定量子密钥分发。

太长不看简化版

你可以把量子密钥分发想象成——

爱丽丝和鲍勃在两头，各自拿着一根极其脆弱的“量子绳子”，同时向中间的查理抖过去。

这样甩也行 | Giphy

查理只是一名记录者，只看两根绳子在他那里相遇的“姿态”（干涉结果），然后大声喊出来。他并不知道俩人在两端如何看抖动绳子。

这样甩也行 | Giphy

爱丽丝和鲍勃根据查理喊的结果和自己怎么抖的，来生成用来加密的密码本，并决定要不要保留。

如果有别人想中途抓住绳子看看，跳绳的甩动就会被瞬间扰乱（状态被破坏），查理那边的结果就不对了，爱丽丝和鲍勃一对暗号就知道：“刚才有人捣乱！这次不算！”

莫伸手，伸手就被抓 | Giphy

而这次研究的突破，就是找到了一个好办法，让这两根脆弱的“量子绳子”能在几百公里长的、不安分的普通光纤里传输，而不会轻易“断掉”。

那么，啥时候能用上？

这次的成果意义重大，因为它证明了在现有电信设施上部署长距离量子通信的可行性。如果这项技术能进一步成熟和推广，未来我们在进行网上银行转账、远程控制智能家居、或者使用云计算服务时，安全性将得到前所未有的提升。

你的银行账户更安全了 | Giphy

当然，我们也要看到目前的局限性。这种量子密钥分发技术，目前的主要瓶颈之一是速率还比较慢。这次实验实现的密钥生成速率大约是每秒 110 比特（110 bit/s），换算一下，大概每秒钟只能生成十几个英文字母长度的密钥。

这个速度对于实时更新加密密钥来说是足够的（比如几秒钟换一次高级别加密算法的密钥），但如果你想用它来直接传输文件或者在线看视频，那估计会卡到让你怀疑人生。

所以，现阶段它主要是配合传统通信来使用的——量子负责安全地“递送”密码本，经典通信负责用这个密码本来加密传输具体内容。 

这个网速的体验不会很美好 | Giphy

而且，我们必须记住，技术永远只是安全链条中的一环。即使有了理论上无法破解的量子加密，信息安全中最薄弱的一环，往往还是“人”——比如你的密码设置习惯、是否点击了钓鱼链接等等。

所以，即便未来用上了量子通信，基本的安全意识也不能丢哟！

参考文献

[1] Mirko Pittaluga et al, Long-distance coherent quantum communications in deployed telecom networks, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08801-w

作者：深思

编辑：Steed

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