作者:卜叶 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2019/8/16 14:32:06
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知“芯”人帮你守“秘密”

 

更快、更安全、更大容量的通信技术,是研究人员和运营商们共同追求,但一致的目标并未让两者始终携手并进,研究的超前性往往令现实应用“追不上”,量子通信就颇具代表性。

“现有的量子设备大而笨重,而现代光通信设备早已集成在一个小小的芯片上,目前量子通信技术还不能与光通信技术完全兼容。”新加坡南洋理工大学量子工程研究中心教授刘爱群说。

日前,新加坡南洋理工大学量子工程研究中心教授KWEK Leong Chuan和刘爱群研究团队,联合中国科学技术大学教授徐飞虎等多位不同领域专家,研制出一款连续变量量子密钥分发芯片。该芯片利用半导体技术,集成量子通信的相关器件,大大缩小了量子通信硬件的体积,为量子通信技术的普及提供了新思路。近日,相关研究结果发表于《自然—光子学》杂志。

理想的通信技术

所有通信技术都需要加密,现有的通讯系统大多基于RSA加密算法。这种算法有一个致命缺陷,就是容易被攻破。

“当你向银行ATM机输入密码后,密码便在通信系统中传送,这一过程中,密码极易被黑客截获,从而危害用户通信安全。”刘爱群举例说。

研究人员发明了新的加密技术——量子密钥,这种通信技术的加密模式与此前的不同,理论上可以解决这一难题。

量子通信为什么更安全呢?南洋理工大学KWEK Leong Chuan介绍,这是由量子本身具有的特性决定的。量子通信使用“量子通道”进行信息传递,每一对纠缠状态的粒子的“量子通道”并不一样,从而可以降低甚至消除传输过程中信息被拦截或泄露的风险。

“这与信件传递有异曲同工之处。”他打比方说,写信的人把“密码”装在信封里密封起来,量子的特性规定任何想看这封信的人必须把信封拆开,一旦拆开,他人就知道这封信被人看过了。在量子通信系统中,如果这个装密码的信封没有被人拆过,就能确定这个密码是安全的,用这个密码保护的信息也是安全的。

这是目前已知的唯一不可窃听、不可破译的通信技术加密方式。目前,量子通信技术已经从实验室演示走向产业化,在银行、政府、国防等的保密系统均有应用。

让量子通信技术更普及

与所有的产品一样,量子通信也有缺点。这些缺点阻碍了量子通信走向广大用户的速度。

刘爱群介绍,量子通讯与现有光通信系统不完全兼容,该问题是限制量子通信走向普遍应用的关键。“承载信息传递的信息高速公路已经建立,很难再为量子通信技术重建‘新路’,研究人员只能想方设法让量子通信技术在现有的路上‘跑’起来。”

如何实现兼容呢?刘爱群将目光投向了信息高速公路上的硬件——量子芯片。“如果量子通信设备也能像光通信器件那样集成在芯片上,那么量子通信技术或许能在这条路上跑起来。”

由此,刘爱群和KWEK Leong Chuan及其研究团队抱着这样的想法展开尝试。科研团队将这一新款芯片的研发分为4步:芯片设计、加工、封装、量子通信系统搭建。

“研发过程并非一帆风顺,虽然研究团队在芯片研发上有一定经验,但量子通信芯片的研发还涉及量子物理等学科,面对以半导体技术为代表的技术盲区,研究团队与多位量子通讯专家展开合作。”KWEK Leong Chuan说。

历时3年,在刘爱群及研究团队联合攻关下,一款名为“连续变量量子密钥分发芯片”终于走出实验室。该芯片集成了除激光器以外的所有光器件,尤其在接收端,实现了包括探测器在内的全芯片化集成。

在验证过程中,研究人员发现,该芯片稳定性好,抗环境干扰能力强,计算出来的安全密钥速率和现有商用的量子通信系统具有相同水平,证明了连续变量量子通信量子芯片的可行性。

该芯片的加工工艺与常见的半导体芯片类似,可以在半导体工艺生产线进行加工,这也使得硅光芯片的研发和加工成本大大降低。

“这个工作有力推动了量子保密通信的产业化和广泛应用。”徐飞虎说。

新突破照亮未来

这款芯片的研制成功坚定了刘爱群及科研团队的决心,“量子通信设备芯片化是未来发展的趋势”,研究团队已经展开后续的研究。

刘爱群和KWEK Leong Chuan表示,接下来,研究将重点关注光通信和量子通信混合芯片集成方案,打造传统的光通信系统与量子通信系统的混合网。

谈及未来,面向实用化的量子保密通信,发展小型化、低成本、集成的量子密码系统仍是主要研究方向。该芯片对于未来量子通讯来说,或将推动实现众多小型化的量子卫星芯片。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41566-019-0504-5

 
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