NTU 科學(xué)家開發(fā)的微型芯片尺寸約為 3mm，與現(xiàn)有的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比，它使用量子通信算法來提供增強(qiáng)的安全性。

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

編譯 | 凡雪

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

南洋理工大學(xué)簡稱南大（NTU），成立于 1981 年（前身南洋大學(xué)成立于 1955 年），作為新加坡的一所科研密集型大學(xué)，它在納米材料、生物材料、功能性陶瓷和高分子材料等領(lǐng)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(xué)劉愛群教授領(lǐng)導(dǎo)，劉愛群教授 1994 獲新加坡國立大學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)任職于南洋理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，主要研究方向是下一代光通信技術(shù)、非線性波導(dǎo)仿真、光纖光柵、WDM 通信系統(tǒng)等。

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

NTU 科學(xué)家開發(fā)的微型芯片尺寸約為 3mm，與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)相比，它使用量子通信算法來提供增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)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(shè)置少 1000 倍，后者可以像冰箱一樣大，甚至占據(jù)整個(gè)房間或辦公室地板的空間。這為更安全的通信技術(shù)打開了大門，這些通信技術(shù)可以部署在智能手機(jī)，平板電腦和智能手表等緊湊型設(shè)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(chǔ)。

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(shè)備的千分之一，這為更安全的通信技術(shù)打開了大門，可安裝在智能手機(jī)、平板電腦和智能手表等緊湊型設(shè)備內(nèi)。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(chǔ)。

劉愛群認(rèn)為：「在當(dāng)今世界，網(wǎng)絡(luò)安全非常重要，因?yàn)槲覀兊脑S多數(shù)據(jù)都是以數(shù)字方式存儲和通信的。幾乎所有數(shù)字平臺和存儲庫都要求用戶輸入密碼和生物識別數(shù)據(jù)，只要是這種情況，就可能被竊聽或破譯。量子技術(shù)消除了這種情況，因?yàn)槊艽a和信息都集成在正在發(fā)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(jī)化的代碼串來加密信息而起作用，該信息只能由預(yù)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(shù)據(jù)，這是當(dāng)前通信形式的標(biāo)準(zhǔn)做法。

值得一提的是，此前有消息透露，劉愛群科研團(tuán)隊(duì)將這一新款芯片的研發(fā)分為 4 步：芯片設(shè)計(jì)、加工、封裝、量子通信系統(tǒng)搭建。

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軍事級通信技術(shù)，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(fā)量子超級計(jì)算機(jī)，它將以現(xiàn)在無法想象的速度徹底改變計(jì)算。量子技術(shù)的一項(xiàng)備受期待的優(yōu)勢在于密碼學(xué)，即秘密通信的藝術(shù)。

隨著 Internet 服務(wù)的激增，諸如 WhatsApp，F(xiàn)acebook，Skype，Snapchat，Telegram 等的電子郵件和消息傳遞平臺已經(jīng)創(chuàng)建了自己的安全通信渠道，即所謂的「經(jīng)典渠道」。

簡而言之，量子技術(shù)不需要「經(jīng)典渠道」中必需的密碼或生物特征數(shù)據(jù)的額外傳輸。這消除了被攔截或信息泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，從而創(chuàng)建了幾乎不間斷的加密。

NTU 研究人員開發(fā)的量子通信芯片將具有成本效益，因?yàn)樗褂弥T如硅之類的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)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(jì)算和通信。這將有助于引發(fā)下一代通信設(shè)備的創(chuàng)建，并增強(qiáng)數(shù)字服務(wù)，例如銀行的在線金融門戶網(wǎng)站和數(shù)字政府服務(wù)。」NTU 團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在尋求開發(fā)傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)和量子通信系統(tǒng)的混合網(wǎng)絡(luò)。這將改善量子技術(shù)的兼容性，該量子技術(shù)可用于更廣泛的應(yīng)用程序，例如互聯(lián)網(wǎng)連接。

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國內(nèi)量子通信芯片現(xiàn)狀

我國在量子科學(xué)方面起步雖不是最早，但卻發(fā)展很快。隨著「量子衛(wèi)星」「京滬干線」等重大項(xiàng)目的建設(shè)，我國量子通信技術(shù)已躋身全球領(lǐng)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(jī)特點(diǎn)生成量子密鑰，另一種是利用量子隱形傳態(tài)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(tǒng)信息進(jìn)行加密。

近年來，我國在量子通信技術(shù)領(lǐng)域不斷突破新記錄。

2018 年，清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了 25 個(gè)量子接口之間的量子糾纏，打破了先前加州理工學(xué)院研究組 4 個(gè)量子接口之間糾纏的紀(jì)錄。

中國科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在國際上首次實(shí)現(xiàn) 18 個(gè)光量子比特的糾纏，刷新了所有物理體系中最大糾纏態(tài)制備的世界紀(jì)錄。

中國和奧地利之間首次實(shí)現(xiàn)距離達(dá) 7600 公里的洲際量子密鑰分發(fā)，并利用共享密鑰實(shí)現(xiàn)加密數(shù)據(jù)傳輸和視頻通信。標(biāo)志著「墨子號」已具備實(shí)現(xiàn)洲際量子保密通信的能力，為未來構(gòu)建全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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

芯片中的二十組光子陣列里，每組都包含了 2401 根波導(dǎo)

2018 年 7 月，中國科學(xué)家一舉把量子密集編碼的信道容量紀(jì)錄提升到了 2.09，超過了兩維糾纏能達(dá)到的理論極限，創(chuàng)造了當(dāng)前國際最高水平。

20 比特量子芯片

2019 年 8 月 10 號，中國學(xué)者開發(fā)出具有20 個(gè)超導(dǎo)量子比特的量子芯片，并成功操控其實(shí)現(xiàn)全局糾纏，刷新了固態(tài)量子器件中生成糾纏態(tài)的量子比特?cái)?shù)目的世界紀(jì)錄。

由于量子比特?cái)?shù)和操縱精度，是當(dāng)前國際量子計(jì)算科研的兩大核心難題，可操縱的量子比特?cái)?shù)量越多，計(jì)算的能力就將隨之呈指數(shù)級增長，量子操縱是量子計(jì)算的技術(shù)制高點(diǎn)，而實(shí)現(xiàn)全局糾纏是檢驗(yàn)操縱是否成功的標(biāo)志，這種狀態(tài)下能夠讓所有量子比特協(xié)同工作，大大提升了量子芯片的運(yùn)行效率。

據(jù)了解，這項(xiàng)成果由浙江大學(xué)、中科院物理所、中科院自動(dòng)化所、北京計(jì)算科學(xué)研究中心等國內(nèi)單位組成的團(tuán)隊(duì)通力合作完成。

據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《中國量子通信行業(yè)市場前瞻與投資策略分析報(bào)告》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，預(yù)測 2019 年我國量子通信行業(yè)市場規(guī)模將達(dá) 425 億元，并預(yù)測在 2023 年我國量子通信行業(yè)市場規(guī)模將達(dá)到 805 億元左右。

未來，在實(shí)際應(yīng)用中，量子通信技術(shù)憑借其絕對通信安全性質(zhì)以及傳送信息的快速性、準(zhǔn)確性，在今后的一段時(shí)期內(nèi)或?qū)⒈淮蠓秶茝V及應(yīng)用到軍事技術(shù)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(shù)據(jù)或票據(jù)的金融、電信、電力、電子信息等領(lǐng)域和部門，應(yīng)用價(jià)值和前景非常廣闊。

參考鏈接：

https://scitechdaily.com/military-grade-communications-with-quantum-chip-1000-times-smaller-than-current-setups/

原標(biāo)題：《最新量子通信芯片問世，縮小了1000倍可用于手機(jī)通信安全》

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