量子计算机潜在的破解能力引发了对传统安全通信的担忧，推动研究人员探索新的加密路径。量子密钥分发（QKD）被视为一种基于量子机制的安全通信方法，其核心特征在于：一旦发生窃听，量子态会被扰动，从而使未授权拦截可被发现。

此前，相关方案的演示通常受限于较短传输距离，并且依赖特定设备。中国一支研究团队近日在《Science》发表论文，报告在两单原子节点之间实现设备独立量子密钥分发（DI-QKD），并在最长100公里光纤链路上维持量子加密能力。

设备独立性为何重要

QKD在实现安全通信时仍需依赖传输介质，例如光纤。但量子粒子在光纤中的传输效率会随距离呈指数下降。为延长传输距离，系统往往需要借助设备提升传输效率；与此同时，设备本身需要精确校准以保证安全性，这在实际部署中带来不便，也限制了系统的可扩展性。

研究界提出的方向之一是实现QKD的“设备独立性”。DI-QKD利用量子纠缠粒子进行密钥分发；在该框架下，若有外部尝试拦截，纠缠态将被破坏，通信应仅在发送方与预期接收方之间成立。

不过，DI-QKD此前也面临现实限制。早期实验多基于被困离子或光子，仅在几百米范围内实现正密钥率。随后，量子频率转换与单光子干涉等技术推动纠缠距离提升，但仍难以满足实际应用需求；纠缠保真度与探测效率等问题长期制约进展。

100公里光纤上的DI-QKD演示

在最新研究中，团队采用单光子干涉方案：通过探测器“宣告”量子纠缠对成功生成，从而实现按需产生纠缠对，以降低光纤损耗带来的影响。研究还引入量子频率转换，将波长转换至低损耗的电信波段，实现高保真度的原子—原子纠缠。

论文显示，研究人员在11、20、50、70及100公里等不同光纤距离上进行测试，均获得正的安全密钥率。研究作者在文中表示，采用单光子干涉进行远程纠缠预告后，其城市尺度纠缠速度较此前DI-QKD实验中使用的双光子方案提升了数个数量级。

团队同时指出，用于证明量子纠缠存在并支撑安全性的CHSH贝尔不等式违背在所有测试距离上均得以维持，安全密钥生成距离达到100公里。

仍存限制

研究也提到，DI-QKD距离广泛应用仍有一定距离。此次实验中所有节点位于同一实验室，局域性漏洞尚未关闭；此外，事件率仍会随距离增加而下降，主要原因是光纤损耗。研究人员表示，未来若采用更低损耗光纤并改进频率转换，距离仍有进一步延伸的可能。

作者在论文中写道，在城市尺度上演示设备独立量子密钥分发，有助于缩小量子网络原理验证与实际应用之间的差距。除DI-QKD外，该架构还可作为设备独立量子随机数生成（DI-QRNG）、量子设备自测试以及量子力学基础测试的平台，并指出高保真纠缠既是量子网络应用的重要资源，也是扩展量子网络的基础构件。

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