南京大学突破量子通信技术瓶颈！超构表面开启密钥分发新时代！ 近日，一项来自南京大学的重磅成果登上国际顶级期刊《Nano Letters》。物理学院彭茹雯教授和王牧教授团队首次基于单一超构表面实现了多种协议的量子密钥分发（QKD），包括BB84、BBM92等经典协议，密钥率高达传统系统的数倍，而量子比特误码率显著降低，这项突破为量子网络规模化奠定技术基础。 这项技术通过设计多通道硅超构表面，尺寸仅258×258微米，利用偏振纠缠光子对与超构表面的相互作用，同时生成自旋-轨道角动量（SAM-OAM）杂化态，并分发给不同用户。实验证明，该系统不仅能支持多用户通信，还可根据网络环境动态切换协议，甚至兼容未来更多量子加密标准。 传统QKD系统依赖大量光学元件，如波片、分束器，导致设备体积庞大、电磁损耗严重，严重制约卫星通信和城市量子网络部署。例如，现有的光纤QKD系统传输距离通常不超过300公里，且需依赖昂贵的中继器。南京大学团队的超构表面方案将光学系统集成到微米级芯片上，重量和能耗仅为传统方案的千分之一。 这项研究的价值远不仅仅在于实验室数据的突破。它揭示了一个更深层的趋势：量子通信技术正在从“复杂工程”向“芯片化集成”跃迁。超构表面通过调控光子的偏振、振幅、轨道角动量等多自由度特性，本质上重构了光量子信息的处理方式。例如，团队设计的四通道超构表面可同时产生可分离态和杂化纠缠态，前者用于BB84协议的单光子加密，后者则适配BBM92协议的纠缠光子对分发。这种“一芯多用”的特性，使得未来量子网络能像智能手机切换通信模式一样，在抗窃听、抗噪声等场景中灵活选择最优协议。 超构表面的另一重优势在于其对信息安全的颠覆性提升。传统量子密钥分发需要依赖不同物理载体如偏振或轨道角动量的组合，攻击者可能通过截获单一维度信息实施破解。而SAM-OAM杂化态将光子的自旋与轨道自由度绑定，相当于为密钥加上了“双重保险锁”。实验数据显示，超构表面产生的杂化态量子误码率仅为0.8%，远低于传统系统的2%安全阈值。这种物理层面的加密强度，使得即便在算力无限的量子计算机时代，信息传输的“绝对安全”成为可能。 在卫星通信领域，星载设备的体积和能耗极为敏感。我国“墨子号”量子卫星曾因载荷限制，仅能实现千公里级密钥分发。而超构表面的微型化特性，可直接降低未来量子卫星的发射成本，甚至支持多颗卫星组网协同。在城市量子网络建设中，传统方案需要在地下铺设专用光纤并配置大量中继节点，而超构表面技术可将核心设备集成到现有通信基站中，大幅降低市政工程的复杂度。 从技术竞争角度看，中国团队已在这一赛道占据先机。彭茹雯和王牧团队自2022年起连续突破超构表面在量子信息领域的应用边界：先是实现量子纠缠态的多通道分发，继而通过噪声工程将偏振复用通道数提升至11个，再到此次的多协议QKD集成。 对比国际同行，美国康普公司虽在量子通信专利数量上领先，但其技术路线仍依赖传统光学堆叠；日本东芝虽开发出400公里光纤QKD系统，但设备体积相当于小型集装箱。南京大学的方案从底层物理原理革新，展现出“换道超车”的战略智慧。 当前量子通信技术多应用于国防、金融等高价值领域，而超构表面的低成本和小型化特性，有望推动量子加密向民用市场下沉。例如，未来智能家居设备可通过内置超构表面芯片实现端到端量子加密，防止隐私数据被黑客劫持；工业互联网中的关键传感器也能以更低成本接入量子安全网络。据团队透露，已有通信设备厂商就超构表面集成方案展开合作洽谈，目标在3-5年内推出消费级量子安全模组，这将彻底改变“量子技术=昂贵技术”的固有认知。 量子通信被誉为“信息安全的终极护盾”，而南京大学的这项突破，让这面护盾变得更轻、更强、更智能。当超构表面将庞杂的光学系统压缩为一片微芯片，我们看到的不仅是技术的跃进，更是一个国家在科技博弈中“以巧破力”的战略智慧。
