ระบบแจกจ่ายกุญแจควอนตัมของจีนทนสัญญาณรบกวนสูง และใช้ใยแก้วนำแสงร่วมกันได้ในระยะ 150 กิโลเมตร

การทดลองด้านความปลอดภัยควอนตัมเข้าใกล้การใช้งานบนเครือข่ายโทรคมนาคมทั่วไปมากขึ้น

ทีมวิจัยจีนสาธิตการแจกจ่ายกุญแจควอนตัมที่ทนสัญญาณรบกวนได้ 425 กิโลเฮิรตซ์ และทดสอบการส่งสัญญาณควบคู่กับการสื่อสารด้วยแสงแบบทั่วไปผ่านใยแก้วนำแสงเส้นเดียวกันเป็นระยะทาง 150 กิโลเมตร งานวิจัยนี้มุ่งแก้ปัญหาในทางปฏิบัติของเครือข่ายควอนตัมที่ปลอดภัย นั่นคือการทำให้สัญญาณควอนตัมที่เปราะบางยังใช้งานได้ เมื่อต้องเผชิญกับสัญญาณแสงที่แรงกว่ามากจากอุปกรณ์โทรคมนาคม

ทีมวิจัยนำโดยกัว กวงฉาน นักวิชาการจากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีน ร่วมกับห้องปฏิบัติการสำคัญด้านข้อมูลควอนตัมและการเข้ารหัสควอนตัมประจำมณฑลเหอหนาน และมหาวิทยาลัยไปรษณียศาสตร์และโทรคมนาคมหนานจิง นักวิจัยที่มีส่วนร่วมประกอบด้วย หาน เจิ้งฝู่ เฉิน เว่ย อิ่น เจิ้นเฉียง และหวัง ซวง

บทความในวารสาร Physical Review Letters ของทีม ซึ่งสมาคมฟิสิกส์อเมริกันเผยแพร่เมื่อวันที่ 30 กันยายน 2026 อธิบายระบบที่ทำงานด้วยความถี่การทำซ้ำ 2.5 กิกะเฮิรตซ์ รายงานการสร้างกุญแจที่ปลอดภัยภายใต้จำนวนสัญญาณรบกวน 425 กิโลเฮิรตซ์ ซึ่งสูงกว่าค่าความทนทานของระบบที่ทำงานแยกเดี่ยวอยู่สี่ลำดับขั้น และมีอัตราการสร้างกุญแจที่ปลอดภัยระดับกิโลบิตต่อวินาที เมื่อช่องสัญญาณมีการลดทอน 30 เดซิเบล

ผลลัพธ์เหล่านี้วัดประสิทธิภาพคนละด้าน ความถี่การทำซ้ำบอกความเร็วในการทำงานของระบบ จำนวนสัญญาณรบกวนบอกเหตุการณ์ตรวจจับที่ไม่พึงประสงค์ ส่วนอัตราการสร้างกุญแจที่ปลอดภัยวัดปริมาณกุญแจลับที่นำไปใช้ได้หลังผ่านกระบวนการ การแยกตัวเลขเหล่านี้ออกจากกันเป็นสิ่งสำคัญต่อการทำความเข้าใจว่าการทดลองแสดงให้เห็นอะไร

ความก้าวหน้าหลักเกิดจากการผสานวิธีที่เรียกว่า การกลั่นข้อได้เปรียบ (advantage distillation) เข้ากับการเข้ารหัสสัญญาณความเร็วสูงและเครื่องตรวจจับสารกึ่งตัวนำขนาดกะทัดรัด แทนที่จะพึ่งการป้องกันสัญญาณควอนตัมจากสัญญาณรบกวนเพียงอย่างเดียว นักวิจัยยังปรับวิธีประมวลผลข้อมูลกุญแจที่มีสัญญาณรบกวนด้วย

สิ่งที่ต้องรักษาความปลอดภัยคืออะไร?

การแจกจ่ายกุญแจควอนตัม หรือ QKD ช่วยให้สองฝ่ายสร้างกุญแจลับร่วมกันโดยใช้สถานะควอนตัม จากนั้นนำกุญแจดังกล่าวไปใช้รองรับการสื่อสารที่เข้ารหัส การทดลองนี้มุ่งศึกษาการแจกจ่ายกุญแจ ไม่ใช่การส่งข้อความทั่วไปด้วยความถี่การทำงาน 2.5 กิกะเฮิรตซ์ของระบบ

จุดเด่นคือความปลอดภัยเชิงทฤษฎีสารสนเทศ กล่าวคือ ภายใต้สมมติฐานของโพรโทคอล การรักษาความลับไม่ได้ขึ้นอยู่กับการที่ผู้โจมตีไม่สามารถแก้ปัญหาคณิตศาสตร์ที่ยากได้ สัญญาณควอนตัมและการตรวจสอบระหว่างสร้างกุญแจช่วยให้ผู้เข้าร่วมประเมินได้ว่าจะดึงกุญแจลับจากผลการวัดได้หรือไม่

งานวิจัยนี้ใช้ QKD แบบไม่ขึ้นกับอุปกรณ์วัด ซึ่งมักเรียกย่อว่า MDI QKD ความปลอดภัยของวิธีนี้ไม่จำเป็นต้องอาศัยความเชื่อถือในอุปกรณ์วัด ประเด็นนี้สำคัญ เพราะเครื่องตรวจจับอาจก่อให้เกิดจุดอ่อนในการใช้งานจริงได้ แม้โพรโทคอลควอนตัมพื้นฐานจะมีความถูกต้องก็ตาม

คำนี้ไม่ได้หมายความว่าจะละเลยหรือถือว่าทุกส่วนของเครือข่ายปลอดภัยได้ การเตรียมสัญญาณและสมมติฐานอื่น ๆ ของโพรโทคอลยังคงมีความสำคัญ ประโยชน์เฉพาะของวิธีนี้คือไม่ต้องเชื่อถืออุปกรณ์วัด ขณะยังสร้างกุญแจลับได้ในสภาพแวดล้อมทางแสงที่ท้าทาย

เหตุใดแสงพื้นหลังจึงเป็นอุปสรรคสำคัญ

การสื่อสารควอนตัมใช้สัญญาณแสงที่อ่อนมาก ขณะที่อุปกรณ์โทรคมนาคมทั่วไปส่งสัญญาณที่แรงกว่ามาก ซึ่งอาจทำให้เกิดแสงเพิ่มเติมจากปรากฏการณ์ไม่เชิงเส้นในใยแก้วนำแสง แสงที่ไม่พึงประสงค์นี้อาจทำให้เกิดเหตุการณ์ตรวจจับที่ไม่ได้แทนข้อมูลควอนตัมตามที่ตั้งใจส่ง

ปัญหาที่เกิดขึ้นไม่ใช่แค่การเชื่อมต่อที่มีสัญญาณรบกวน หากข้อมูลจากการวัดมีข้อผิดพลาดมากเกินไปหรือมีความสัมพันธ์ที่ใช้ประโยชน์ได้น้อยเกินไป ผู้เข้าร่วมอาจไม่สามารถสร้างกุญแจที่ปลอดภัยได้ ดังนั้นระบบอาจส่งสัญญาณทางแสงได้ แต่ไม่สามารถสร้างข้อมูลลับที่นำไปใช้ได้

การเชื่อมต่อผ่านอากาศเผชิญความท้าทายในลักษณะใกล้เคียงกัน แต่มีแหล่งกำเนิดต่างออกไป การเชื่อมต่อผ่านดาวเทียมและแพลตฟอร์มอย่างโดรนอาจเผชิญแสงแวดล้อมที่แรง เช่น แสงอาทิตย์ งานวิจัยระบุว่าสภาพแวดล้อมเหล่านี้เป็นแรงจูงใจให้พัฒนาความทนทานต่อสัญญาณรบกวนให้สูงขึ้น อย่างไรก็ตาม การทดลองส่งสัญญาณร่วมกันระยะ 150 กิโลเมตรที่รายงานไว้ใช้ใยแก้วนำแสง

การใช้ตัวกรองช่วยตัดแสงที่ไม่ต้องการได้ แต่มีข้อจำกัด ตัวกรองอาจตัดสัญญาณที่เป็นประโยชน์ทิ้งไปด้วย และเพิ่มความซับซ้อนของอุปกรณ์ แนวทางของทีมวิจัยแก้ปัญหาทั้งในระดับกายภาพและการประมวลผลข้อมูล โดยผสานการตรวจจับสัญญาณรบกวนต่ำเข้ากับวิธีที่ออกแบบมาเพื่อดึงกุญแจลับจากข้อมูลการวัดที่มีสัญญาณรบกวนมากขึ้น

การกลั่นข้อได้เปรียบเปลี่ยนวิธีคำนวณอย่างไร

การกลั่นข้อได้เปรียบประมวลผลข้อมูลกุญแจดิบเป็นกลุ่ม เพื่อเพิ่มความสัมพันธ์ที่นำไปใช้สร้างกุญแจลับได้ ข้อมูลดิบคือบันทึกเบื้องต้นที่ได้ก่อนผู้เข้าร่วมจะตรวจสอบและประมวลผลจนเสร็จเพื่อสร้างกุญแจลับที่ใช้งานได้

หลักการคือการประมวลผลแบบคัดเลือก แทนที่จะถือว่าข้อมูลกุญแจดิบทุกส่วนมีประโยชน์เท่ากัน วิธีนี้ใช้ความสัมพันธ์ภายในแต่ละกลุ่มเพื่อเก็บข้อมูลที่เหมาะต่อการสร้างกุญแจลับมากกว่า วิธีดังกล่าวไม่อาจทำให้สัญญาณรบกวนทุกรูปแบบหมดพิษภัย แต่ช่วยขยายเงื่อนไขที่ยังสามารถกู้คืนความลับที่ใช้ประโยชน์ได้

นักวิจัยพัฒนาวิธีวิเคราะห์ความยาวกุญแจแบบจำกัดสำหรับการกลั่นข้อได้เปรียบในระบบของตน ซึ่งคำนึงถึงความแตกต่างสำคัญในทางปฏิบัติ กล่าวคือ การทดลองเก็บข้อมูลได้ในปริมาณจำกัด ขณะที่การคำนวณเชิงอุดมคติอาจตั้งสมมติฐานว่ามีชุดข้อมูลขนาดใหญ่ได้ไม่จำกัด การประเมินความปลอดภัยและประสิทธิภาพต้องคำนึงถึงความไม่แน่นอนทางสถิติจากข้อมูลที่มีจำนวนจำกัด

สิ่งที่รายงานว่าเป็นครั้งแรกคือการนำ MDI QKD ที่อาศัยการกลั่นข้อได้เปรียบมาใช้งานจริง โดยมีงานทฤษฎีและฮาร์ดแวร์การทดลองรองรับ ไม่ใช่การอ้างว่างานวิจัยนี้เป็นผู้คิดค้นการกลั่นข้อได้เปรียบขึ้นมา

ฮาร์ดแวร์มีความสำคัญ เพราะการประมวลผลข้อมูลไม่อาจทดแทนการวัดที่ใช้งานได้ การเข้ารหัสแบบขนานความเร็วสูงส่งสัญญาณควอนตัมได้รวดเร็ว ส่วนเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวชนิดสารกึ่งตัวนำขนาดกะทัดรัดช่วยให้ตรวจจับได้โดยมีสัญญาณรบกวนต่ำ ไม่ต้องใช้อุปกรณ์ตรวจจับขนาดใหญ่และสิ้นเปลืองทรัพยากรตามที่กล่าวถึงในบทความ

ตัวเลขประสิทธิภาพแสดงอะไรจริง ๆ

เกณฑ์สัญญาณรบกวน 425 กิโลเฮิรตซ์ของระบบเทียบเท่ากับจำนวนสัญญาณรบกวน 425,000 ครั้งต่อวินาที บทความรายงานว่ายังสร้างกุญแจที่ปลอดภัยได้ภายใต้ภาระสัญญาณรบกวนระดับนี้ ตัวเลขนี้คืออัตราการนับเหตุการณ์ตรวจจับ ไม่ใช่ค่ากำลังแสงหรือความเร็วในการเข้ารหัสข้อความ

สี่ลำดับขั้นหมายถึงปัจจัย 10,000 ดังนั้น การเปรียบเทียบในงานวิจัยจึงแสดงให้เห็นว่าความทนทานต่อสัญญาณรบกวนเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อเทียบกับระบบที่ทำงานแยกเดี่ยวซึ่งใช้เป็นเกณฑ์อ้างอิง แต่ไม่ควรตีความว่าเป็นอัตราส่วนประสิทธิภาพสากลเมื่อเทียบกับระบบ QKD ทุกระบบที่มีอยู่

การเพิ่มขึ้นของความสามารถในการสร้างกุญแจที่ปลอดภัยที่รายงานไว้มีค่าเป็นสองลำดับขั้น หรือปัจจัย 100 ซึ่งเป็นผลอีกด้านหนึ่ง ไม่ใช่ผลเดียวกับความทนทานต่อสัญญาณรบกวนที่เพิ่มขึ้น 10,000 เท่า ตัวเลขหนึ่งบอกความสามารถในการสร้างกุญแจที่ปลอดภัย อีกตัวบอกปริมาณสัญญาณรบกวนที่ระบบรองรับได้

ที่ความถี่ 2.5 กิกะเฮิรตซ์ ระบบทำงานซ้ำ 2,500 ล้านครั้งต่อวินาที แต่ปริมาณกุญแจที่ปลอดภัยซึ่งส่งออกมาได้จริงนั้นต่ำกว่ามาก เพราะการสูญเสียทางแสง เหตุการณ์วัดที่สำเร็จ และกระบวนการด้านความปลอดภัยเป็นตัวกำหนดว่าข้อมูลลับที่นำไปใช้ได้จะเหลืออยู่เท่าใด บทความรายงานอัตราส่งออกระดับกิโลบิตต่อวินาทีภายใต้การลดทอน 30 เดซิเบล แต่บทคัดย่อไม่ได้ระบุอัตราที่แน่นอน

การสูญเสีย 30 เดซิเบลและการใช้ใยแก้วนำแสงร่วมกันระยะ 150 กิโลเมตร

การลดทอนของช่องสัญญาณ 30 เดซิเบลหมายถึงกำลังแสงลดลง 1,000 เท่า โดยเหลือกำลังหนึ่งในพันของขาเข้าหลังผ่านการสูญเสียตามที่ระบุ การสร้างกุญแจที่ปลอดภัยได้ในอัตราระดับกิโลบิตต่อวินาทีภายใต้เงื่อนไขนี้แสดงให้เห็นว่าระบบทำงานได้แม้สัญญาณสูญเสียไปมาก

การสาธิตการส่งสัญญาณร่วมกันอีกชุดหนึ่งเชื่อมต่อระบบควอนตัมกับอุปกรณ์สื่อสารทางแสงที่มีอยู่เดิมของ China Unicom โดยส่งการแจกจ่ายกุญแจควอนตัมและการสื่อสารทางแสงทั่วไปผ่านใยแก้วนำแสงเส้นเดียวกันเป็นระยะทาง 150 กิโลเมตร ซึ่งเป็นระยะทางที่เกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่อระหว่างเมือง

การใช้ใยแก้วนำแสงร่วมกันเป็นการทดสอบในทางปฏิบัติ เพราะเครือข่ายควอนตัมไม่อาจพึ่งพาเส้นทางทางแสงที่จัดไว้เฉพาะสำหรับสัญญาณควอนตัมอ่อน ๆ ได้เสมอไป การส่งสัญญาณร่วมทำให้ระบบต้องทำงานร่วมกับอุปกรณ์และแสงที่แรงกว่าจากการสื่อสารทั่วไป

บทคัดย่อที่เผยแพร่และคำอธิบายการทดลองระบุเกณฑ์สัญญาณรบกวน อัตราการสร้างกุญแจภายใต้การลดทอน และระยะทางของใยแก้วนำแสงที่ใช้ร่วมกัน แต่ไม่ได้ยืนยันว่าภาระสัญญาณรบกวนสูงสุด เกณฑ์การลดทอนที่ระบุ และการส่งสัญญาณระยะ 150 กิโลเมตร เกิดขึ้นพร้อมกันภายใต้เงื่อนไขการทำงานเดียวกันทั้งหมด การถือว่าตัวเลขเหล่านี้เป็นเกณฑ์อ้างอิงแยกจากกันช่วยหลีกเลี่ยงการกล่าวเกินจริงเกี่ยวกับผลการทดลอง

วันที่เผยแพร่และข้อจำกัดของคำกล่าวเรื่องการนำไปใช้งาน

งานวิจัยตีพิมพ์ใน Physical Review Letters ก่อนมีรายงานเกี่ยวกับความร่วมมือและการทดลองร่วมกับ China Unicom ในเวลาต่อมา ลำดับการเผยแพร่มีดังนี้:

• 30 กันยายน 2026: บทความตีพิมพ์ใน Physical Review Letters รายงานระบบความถี่ 2.5 กิกะเฮิรตซ์ ความทนทานต่อสัญญาณรบกวน 425 กิโลเฮิรตซ์ และการสร้างกุญแจที่ปลอดภัยภายใต้การลดทอน 30 เดซิเบล
• 9 ตุลาคม 2026: มีรายงานเพิ่มเติมเกี่ยวกับสถาบันที่เข้าร่วมและการสาธิตใช้ใยแก้วนำแสงร่วมกันระยะ 150 กิโลเมตร โดยใช้อุปกรณ์ของ China Unicom

การผสานเครื่องตรวจจับขนาดกะทัดรัด ความเร็วการทำงานสูง ความทนทานต่อสัญญาณรบกวนพื้นหลัง และการส่งสัญญาณผ่านใยแก้วนำแสงร่วมกัน ช่วยตอบโจทย์เชิงปฏิบัติหลายด้านไปพร้อมกัน บทความวิชาการนำเสนอระบบนี้ว่าเป็นแนวทางสำหรับติดตั้งเครือข่ายควอนตัมที่ปลอดภัย โดยมีความปลอดภัยสูง ผลิตกุญแจที่นำไปใช้ได้ และทนต่อสัญญาณรบกวนจากสภาพแวดล้อม

ข้อสรุปดังกล่าวครอบคลุมกว้างกว่าการพิสูจน์ว่ามีบริการเชิงพาณิชย์ที่ใช้งานเป็นกิจวัตร รายละเอียดที่รายงานไม่ได้ระบุต้นทุนอุปกรณ์ ระยะเวลาการทำงานต่อเนื่อง ข้อกำหนดด้านการบำรุงรักษา หรือตารางเวลาติดตั้งเครือข่าย อีกทั้งยังไม่ได้ยืนยันการสาธิตผ่านดาวเทียมหรือโดรน แม้สภาพแวดล้อมเหล่านั้นจะเป็นแรงจูงใจของงานวิจัย แต่ผลการส่งสัญญาณร่วมกันในเครือข่ายที่เป็นรูปธรรมเกี่ยวข้องกับใยแก้วนำแสง

สิ่งที่เปลี่ยนไปสำหรับการสื่อสารควอนตัมในทางปฏิบัติ

ความเชื่อมโยงที่สำคัญที่สุดระหว่างผลลัพธ์เหล่านี้คือ งานวิจัยเดียวกันมุ่งแก้ปัญหาทั้งความทนทานต่อสัญญาณรบกวนและความเข้ากันได้กับโครงสร้างพื้นฐานที่มีอยู่ ระบบความเร็วสูงที่ทำงานได้เฉพาะในสภาพแวดล้อมแยกเดี่ยวแก้ปัญหาคนละแบบกับระบบที่ใช้ใยแก้วนำแสงร่วมกับอุปกรณ์สื่อสารทั่วไปได้

งานวิจัยยังชี้ให้เห็นว่าเหตุใดความถี่การทำงานเพียงอย่างเดียวจึงไม่ใช่ตัวชี้วัดความก้าวหน้าที่ครบถ้วน คุณค่าในทางปฏิบัติขึ้นอยู่กับว่าความเร็วดังกล่าวจะนำไปสู่กุญแจที่ปลอดภัยได้หรือไม่ หลังคำนึงถึงการสูญเสีย การตรวจจับที่ไม่พึงประสงค์ และการประมวลผลข้อมูลที่มีจำนวนจำกัด วิธีการกลั่นข้อได้เปรียบช่วยเชื่อมการทำงานของฮาร์ดแวร์ความเร็วสูงเข้ากับผลลัพธ์ที่นำไปใช้ได้ภายใต้สัญญาณรบกวน

การทดสอบระยะ 150 กิโลเมตรเป็นตัวอย่างที่ชัดเจนว่านวัตกรรมเหล่านี้อาจมีความสำคัญที่ใด นั่นคือการสื่อสารระหว่างเมืองโดยใช้โครงสร้างพื้นฐานทางแสงร่วมกัน การประเมินความพร้อมสำหรับการติดตั้งในขั้นต่อไปจำเป็นต้องมีรายละเอียดการทำงานที่ผลการทดลองเหล่านี้ยังไม่ได้ให้ไว้ รวมถึงประสิทธิภาพต่อเนื่องและต้นทุน ไม่มีการระบุกำหนดเวลาติดตั้งหรือวันที่ทดสอบครั้งต่อไป

ประเด็นสำคัญ

• มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีนและพันธมิตรสาธิต MDI QKD โดยใช้การกลั่นข้อได้เปรียบและเครื่องตรวจจับสารกึ่งตัวนำขนาดกะทัดรัด
• ระบบทำงานที่ความถี่ 2.5 กิกะเฮิรตซ์ และสร้างกุญแจที่ปลอดภัยได้ภายใต้จำนวนสัญญาณรบกวน 425 กิโลเฮิรตซ์
• รายงานว่าความทนทานต่อสัญญาณรบกวนเพิ่มขึ้นสี่ลำดับขั้น หรือ 10,000 เท่า เมื่อเทียบกับระบบอ้างอิงที่ระบุ
• บทความรายงานอัตราการสร้างกุญแจที่ปลอดภัยระดับกิโลบิตต่อวินาที ภายใต้การลดทอนของช่องสัญญาณ 30 เดซิเบล
• การสาธิตอีกชุดหนึ่งใช้อุปกรณ์สื่อสารทางแสงของ China Unicom ส่งสัญญาณผ่านใยแก้วนำแสงร่วมกันเป็นระยะทาง 150 กิโลเมตร
• ผลการทดลองไม่ได้ยืนยันการใช้งานเชิงพาณิชย์เป็นกิจวัตร กำหนดเวลาติดตั้ง หรือการเชื่อมต่อผ่านดาวเทียมที่สาธิตแล้ว