最新量子通信芯片问世，缩小了1000倍可用于手机通信安全

　　编译：凡雪

　　NTU 科学家开发的微型芯片尺寸约为 3mm，与现有的行业标准相比，它使用量子通信算法来提供增强的安全性。

　　同时，它需要比当前的量子通信设置少 1000 倍的空间，从而为更安全的通信技术打开了大门，这些通信技术可以部署在智能手机，平板电脑和智能手表等紧凑型设备中。

　　近日消息，新加坡南洋理工大学（NTU 新加坡）在最新一期《自然·光子学》杂志上撰文称，他们开发出一种量子通信芯片，尽管其“块头”仅为现有装置的千分之一，但能提供同样出众的量子安全技术，可用于智能手机、平板电脑和智能手表等紧凑型设备内，提升其通信安全性。

　　南洋理工大学简称南大（NTU），成立于 1981 年（前身南洋大学成立于 1955 年），作为新加坡的一所科研密集型大学，它在纳米材料、生物材料、功能性陶瓷和高分子材料等领域研究一直享有盛名。

刘爱群教授（左）和梁川副教授展示嵌入在绿色电路板右下角的 3mm 量子通信芯片

　　此次研究主要是由南洋理工大学刘爱群教授领导，刘爱群教授 1994 获新加坡国立大学博士学位，现任职于南洋理工大学电气与电子工程学院，主要研究方向是下一代光通信技术、非线性波导仿真、光纤光栅、WDM 通信系统等。

　　安全通信方法中使用的大多数的安全标准，从 ATM 提取现金到在智能手机上在线购买商品，均未利用量子技术。个人识别码（PIN）或密码的电子传输可能会被拦截，从而构成安全隐患。

　　NTU 科学家开发的微型芯片尺寸约为 3mm，与现有标准相比，它使用量子通信算法来提供增强的安全性。它通过将密码集成在所传递的信息中来形成安全的「量子密钥」，从而实现这一目的。收到信息后，它会与密钥一起销毁，即「阅后即焚」从而使其成为一种极其安全的通信形式。

　　它所需要的空间也比目前的量子通信设置少 1000 倍，后者可以像冰箱一样大，甚至占据整个房间或办公室地板的空间。这为更安全的通信技术打开了大门，这些通信技术可以部署在智能手机，平板电脑和智能手表等紧凑型设备中。它还为在线交易和电子通信的更好的加密方法奠定了基础。

研究人员表示，最新量子芯片需要的空间仅为目前量子通信设备的千分之一，这为更安全的通信技术打开了大门，可安装在智能手机、平板电脑和智能手表等紧凑型设备内。此外，它还为用于在线交易和电子通信的更好的加密方法奠定了基础。刘爱群认为：「在当今世界，网络安全非常重要，因为我们的许多数据都是以数字方式存储和通信的。几乎所有数字平台和存储库都要求用户输入密码和生物识别数据，只要是这种情况，就可能被窃听或破译。量子技术消除了这种情况，因为密码和信息都集成在正在发送的消息中，形成了「量子密钥」。」

　　梁川解释说，量子通信通过使用随机化的代码串来加密信息而起作用，该信息只能由预期的接收者使用正确的「密钥」打开。无需传输其他密码或生物特征数据，这是当前通信形式的标准做法。

　　值得一提的是，此前有消息透露，刘爱群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。

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　　军事级通信技术，具有成本效益

　　谷歌和 IBM 等全球最大的科技公司都在竞相开发量子超级计算机，它将以现在无法想象的速度彻底改变计算。量子技术的一项备受期待的优势在于密码学，即秘密通信的艺术。

　　随着 Internet 服务的激增，诸如 WhatsApp，非死book，Skype，Snapchat，Telegram 等的电子邮件和消息传递平台已经创建了自己的安全通信渠道，即所谓的「经典渠道」。

　　简而言之，量子技术不需要「经典渠道」中必需的密码或生物特征数据的额外传输。这消除了被拦截或信息泄漏的风险，从而创建了几乎不间断的加密。

　　NTU 研究人员开发的量子通信芯片将具有成本效益，因为它使用诸如硅之类的标准工业材料，这也使其易于制造。

　　刘教授说：「这是通信安全的未来，我们的研究使我们更接近量子计算和通信。这将有助于引发下一代通信设备的创建，并增强数字服务，例如银行的在线金融门户网站和数字政府服务。」NTU 团队现在正在寻求开发传统光通信系统和量子通信系统的混合网络。这将改善量子技术的兼容性，该量子技术可用于更广泛的应用程序，例如互联网连接。

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　　国内量子通信芯片现状

　　我国在量子科学方面起步虽不是最早，但却发展很快。随着「量子卫星」「京沪干线」等重大项目的建设，我国量子通信技术已跻身全球领先地位。

　　量子通信有两种方式，一种是利用量子的不可克隆以及测量的随机特点生成量子密钥，另一种是利用量子隐形传态传送量子比特。目前广泛采用的是第一种方式，利用量子的不可克隆性，对传统信息进行加密。

　　近年来，我国在量子通信技术领域不断突破新记录。

　　2018 年，清华大学的研究团队首次实现了 25 个量子接口之间的量子纠缠，打破了先前加州理工学院研究组 4 个量子接口之间纠缠的纪录。

　　中国科技大学的研究团队在国际上首次实现 18 个光量子比特的纠缠，刷新了所有物理体系中最大纠缠态制备的世界纪录。

　　中国和奥地利之间首次实现距离达 7600 公里的洲际量子密钥分发，并利用共享密钥实现加密数据传输和视频通信。标志着「墨子号」已具备实现洲际量子保密通信的能力，为未来构建全球化量子通信网络奠定了坚实基础。

　　2018 年 5 月，上海交通大学金贤敏研究团队最新研究成果——世界最大规模的三维集成光量子芯片，并演示了首个真正空间二维的随机行走量子计算。金贤敏长期致力于以光量子集成芯片为核心，以量子计算、量子通信和量子存储的芯片化集成的研究和研发。

芯片中的二十组光子阵列里，每组都包含了 2401 根波导

　　2018 年 7 月，中国科学家一举把量子密集编码的信道容量纪录提升到了 2.09，超过了两维纠缠能达到的理论极限，创造了当前国际最高水平。

20 比特量子芯片

　　2019 年 8 月 10 号，中国学者开发出具有20 个超导量子比特的量子芯片，并成功操控其实现全局纠缠，刷新了固态量子器件中生成纠缠态的量子比特数目的世界纪录。

　　由于量子比特数和操纵精度，是当前国际量子计算科研的两大核心难题，可操纵的量子比特数量越多，计算的能力就将随之呈指数级增长，量子操纵是量子计算的技术制高点，而实现全局纠缠是检验操纵是否成功的标志，这种状态下能够让所有量子比特协同工作，大大提升了量子芯片的运行效率。

　　据了解，这项成果由浙江大学、中科院物理所、中科院自动化所、北京计算科学研究中心等国内单位组成的团队通力合作完成。

　　据前瞻产业研究院发布的《中国量子通信行业市场前瞻与投资策略分析报告》统计数据显示，预测 2019 年我国量子通信行业市场规模将达 425 亿元，并预测在 2023 年我国量子通信行业市场规模将达到 805 亿元左右。

　　未来，在实际应用中，量子通信技术凭借其绝对通信安全性质以及传送信息的快速性、准确性，在今后的一段时期内或将被大范围推广及应用到军事技术中，而其大容量信息传送和高效快速的性能，可用于涉及秘密数据或票据的金融、电信、电力、电子信息等领域和部门，应用价值和前景非常广阔。