Sistem Kunci Kuantum China Tahan terhadap Derau Intens dan Berbagi Serat Optik Sepanjang 150 Kilometer

Eksperimen keamanan kuantum kian mendekati jaringan telekomunikasi biasa

Tim peneliti China mendemonstrasikan distribusi kunci kuantum dengan toleransi derau 425 kilohertz dan menguji transmisi bersama komunikasi optik konvensional melalui serat optik bersama sepanjang 150 kilometer. Penelitian ini mengatasi kendala praktis dalam jaringan aman kuantum: menjaga agar sinyal kuantum yang rentan tetap dapat digunakan saat berhadapan dengan sinyal cahaya yang jauh lebih kuat dari perangkat telekomunikasi.

Tim yang dipimpin akademisi Guo Guangcan dari University of Science and Technology of China ini bekerja sama dengan Henan Provincial Key Laboratory of Quantum Information and Quantum Cryptography serta Nanjing University of Posts and Telecommunications. Peneliti yang terlibat antara lain Han Zhengfu, Chen Wei, Yin Zhenqiang, dan Wang Shuang.

Makalah mereka di Physical Review Letters, yang diterbitkan American Physical Society pada 30 September 2026, menguraikan sistem yang beroperasi pada frekuensi pengulangan 2,5 gigahertz. Makalah itu melaporkan pembuatan kunci aman saat jumlah derau mencapai 425 kilohertz, empat orde magnitudo di atas toleransi sistem terisolasi, serta laju kunci aman pada tingkat kilobit per detik saat kanal mengalami atenuasi 30 desibel.

Hasil tersebut mengukur aspek kinerja yang berbeda. Frekuensi pengulangan menggambarkan seberapa cepat sistem beroperasi; jumlah derau menunjukkan peristiwa deteksi yang tidak diinginkan; sedangkan laju kunci aman mengukur kunci rahasia yang dapat digunakan setelah pemrosesan. Memisahkan angka-angka tersebut penting untuk memahami apa yang ditunjukkan eksperimen ini.

Terobosan utamanya menggabungkan metode yang disebut distilasi keunggulan dengan pengodean sinyal cepat dan detektor semikonduktor ringkas. Alih-alih hanya mengandalkan perlindungan sinyal kuantum dari derau, para peneliti juga mengubah cara data kunci yang bising diproses.

Apa yang diamankan?

Distribusi kunci kuantum, atau QKD, memungkinkan dua pihak membentuk kunci rahasia bersama menggunakan keadaan kuantum. Kunci itu kemudian dapat digunakan untuk mendukung komunikasi terenkripsi. Eksperimen ini membahas distribusi kunci, bukan transmisi pesan biasa pada frekuensi operasi sistem 2,5 gigahertz.

Daya tariknya adalah keamanan teoretis informasi: berdasarkan asumsi protokol, kerahasiaan tidak bergantung pada ketidakmampuan penyerang memecahkan persoalan matematika yang sulit. Sinyal kuantum dan pemeriksaan selama pembuatan kunci memungkinkan para pihak menilai apakah mereka dapat memperoleh kunci rahasia dari hasil pengukuran.

Penelitian ini menggunakan QKD independen perangkat pengukuran, yang umum disingkat MDI QKD. Keamanannya tidak mensyaratkan kepercayaan terhadap peralatan pengukuran. Hal ini penting karena detektor dapat menimbulkan kelemahan dalam penerapan praktis, meskipun protokol kuantum yang mendasarinya andal.

Istilah tersebut bukan berarti semua bagian jaringan dapat diabaikan atau dianggap aman. Persiapan sinyal dan asumsi protokol lainnya tetap penting. Manfaat spesifiknya adalah menghilangkan keharusan untuk memercayai perangkat pengukuran sembari tetap menghasilkan kunci rahasia di lingkungan optik yang menantang.

Mengapa cahaya latar menjadi kendala serius

Komunikasi kuantum menggunakan sinyal optik yang sangat lemah. Perangkat telekomunikasi konvensional membawa sinyal yang jauh lebih kuat, yang dapat menghasilkan cahaya tambahan melalui efek nonlinear di dalam serat optik. Cahaya yang tidak diinginkan ini dapat memicu peristiwa deteksi yang tidak mewakili informasi kuantum yang dimaksud.

Masalah yang timbul bukan sekadar koneksi yang bising. Jika data pengukuran mengandung terlalu banyak kesalahan atau terlalu sedikit korelasi yang berguna, para pihak mungkin tidak dapat memperoleh kunci aman. Karena itu, sistem dapat beroperasi secara optik tanpa menghasilkan materi rahasia yang bisa digunakan.

Jalur komunikasi ruang bebas menghadapi tantangan serupa dari sumber berbeda. Koneksi satelit dan wahana seperti drone dapat terpapar cahaya sekitar yang kuat, termasuk sinar matahari. Penelitian ini menyebut lingkungan tersebut sebagai alasan untuk meningkatkan toleransi derau, meskipun eksperimen koeksistensi sepanjang 150 kilometer yang dilaporkan menggunakan serat optik.

Penyaringan membantu menolak cahaya yang tidak diinginkan, tetapi kemampuannya terbatas. Filter juga dapat membuang sinyal berguna dan menambah kerumitan peralatan. Pendekatan tim ini menangani masalah pada tingkat fisik maupun pemrosesan data, dengan menggabungkan deteksi berderau rendah dan metode yang dirancang untuk memperoleh kunci rahasia dari catatan pengukuran yang lebih bising.

Bagaimana distilasi keunggulan mengubah perhitungan

Distilasi keunggulan memproses data kunci mentah dalam kelompok untuk meningkatkan korelasi yang dapat digunakan dalam pembuatan kunci rahasia. Data mentah adalah catatan awal yang dihasilkan sebelum para pihak menuntaskan pemeriksaan dan pemrosesan yang diperlukan untuk membentuk kunci rahasia yang dapat digunakan.

Prinsipnya adalah pemrosesan selektif. Alih-alih menganggap setiap elemen kunci mentah sama bergunanya, metode ini memanfaatkan hubungan dalam kelompok untuk mempertahankan data yang lebih sesuai untuk menghasilkan kunci rahasia. Metode ini tidak dapat menghilangkan sembarang derau, tetapi dapat memperluas kondisi yang memungkinkan kerahasiaan berguna dipulihkan.

Para peneliti mengembangkan penanganan panjang kunci terbatas untuk distilasi keunggulan dalam sistem mereka. Ini menjawab perbedaan praktis yang penting: eksperimen mengumpulkan data dalam jumlah terbatas, sementara perhitungan ideal mungkin mengasumsikan set data yang tak terbatas. Keamanan dan kinerja harus memperhitungkan ketidakpastian statistik yang terkait dengan kumpulan data terbatas.

Hal yang pertama kali dilaporkan adalah penerapan praktis MDI QKD berbasis distilasi keunggulan, didukung oleh kajian teoretis dan perangkat keras eksperimental ini. Penelitian tersebut tidak mengklaim bahwa distilasi keunggulan itu sendiri ditemukan dalam studi ini.

Perangkat keras tetap penting karena pemrosesan data tidak dapat menggantikan kebutuhan akan pengukuran yang dapat digunakan. Pengodean paralel berkecepatan tinggi menyediakan sinyal kuantum dengan laju tinggi, sementara detektor foton tunggal semikonduktor yang ringkas mendukung deteksi berderau rendah tanpa peralatan deteksi besar dan boros sumber daya yang dibahas dalam makalah.

Makna sebenarnya dari angka-angka kinerja

Ambang derau sistem sebesar 425 kilohertz setara dengan 425.000 hitungan derau per detik. Makalah tersebut melaporkan bahwa kunci aman tetap dapat dihasilkan pada tingkat derau itu. Ini adalah laju hitungan deteksi, bukan ukuran daya optik atau kecepatan pesan dapat dienkripsi.

Empat orde magnitudo berarti faktor 10.000. Dengan demikian, perbandingan dalam studi ini menggambarkan peningkatan toleransi derau yang sangat besar dibandingkan sistem terisolasi yang dijadikan acuan. Angka ini tidak boleh ditafsirkan sebagai rasio kinerja universal terhadap setiap instalasi QKD yang sudah ada.

Peningkatan kemampuan menghasilkan kunci aman yang dilaporkan adalah dua orde magnitudo, atau faktor 100. Ini merupakan hasil yang berbeda dari peningkatan toleransi derau sebesar 10.000 kali. Yang pertama menggambarkan kemampuan menghasilkan kunci aman; yang kedua menggambarkan jumlah derau yang dapat ditahan sistem.

Pada 2,5 gigahertz, sistem beroperasi dengan 2,5 miliar pengulangan per detik. Keluaran akhir kunci amannya jauh lebih rendah karena kehilangan optik, keberhasilan peristiwa pengukuran, dan pemrosesan keamanan menentukan seberapa banyak informasi rahasia yang dapat digunakan. Makalah tersebut melaporkan keluaran pada tingkat kilobit per detik saat atenuasi mencapai 30 desibel, tanpa menyebutkan angka laju yang persis dalam abstraknya.

Kehilangan 30 desibel dan serat optik bersama sepanjang 150 kilometer

Atenuasi kanal 30 desibel berarti daya optik berkurang dengan faktor 1.000, sehingga tersisa seperseribu daya masukan setelah kehilangan yang disebutkan. Kemampuan menghasilkan kunci aman pada tingkat kilobit per detik dalam kondisi tersebut menunjukkan bahwa sistem dapat beroperasi meski mengalami kehilangan sinyal yang cukup besar.

Demonstrasi koeksistensi terpisah menghubungkan sistem kuantum dengan peralatan komunikasi optik yang sudah ada, yang disediakan oleh China Unicom. Distribusi kunci kuantum dan komunikasi optik konvensional ditransmisikan melalui serat yang sama sejauh 150 kilometer, jarak yang relevan untuk koneksi antarkota.

Penggunaan serat bersama merupakan uji praktis karena jaringan kuantum tidak selalu dapat mengandalkan jalur optik yang dikhususkan sepenuhnya untuk sinyal kuantum yang lemah. Koeksistensi membuat sistem berhadapan dengan peralatan dan cahaya yang lebih kuat dalam komunikasi konvensional.

Abstrak yang diterbitkan dan uraian eksperimen mencantumkan ambang derau, laju kunci pada kondisi atenuasi, serta jarak serat bersama. Namun, keduanya tidak membuktikan bahwa beban derau maksimum, tolok ukur atenuasi yang disebutkan, dan transmisi sejauh 150 kilometer terjadi secara bersamaan dalam satu kondisi operasi yang sama. Memperlakukan semuanya sebagai tolok ukur terpisah yang dilaporkan akan menghindari klaim berlebihan atas hasil tersebut.

Tanggal publikasi dan batas klaim penerapan

Penelitian ini terbit di Physical Review Letters sebelum laporan selanjutnya mengenai kolaborasi dan eksperimen China Unicom. Urutan publikasinya adalah:

• 30 September 2026: Makalah diterbitkan di Physical Review Letters. Makalah tersebut melaporkan sistem 2,5 gigahertz, toleransi derau 425 kilohertz, serta pembuatan kunci aman saat atenuasi mencapai 30 desibel.
• 9 Oktober 2026: Laporan lanjutan menguraikan institusi yang berpartisipasi dan demonstrasi serat bersama sepanjang 150 kilometer menggunakan peralatan China Unicom.

Kombinasi deteksi ringkas, kecepatan operasi tinggi, toleransi terhadap derau latar, dan transmisi melalui serat bersama menjawab beberapa kebutuhan praktis sekaligus. Makalah akademis tersebut menyajikan sistem ini sebagai solusi untuk menerapkan jaringan aman kuantum dengan keamanan kuat, keluaran kunci yang berguna, serta ketahanan terhadap derau lingkungan.

Kesimpulan itu lebih luas daripada bukti layanan komersial rutin. Rincian yang dilaporkan tidak mencakup biaya peralatan, durasi operasi berkelanjutan, kebutuhan pemeliharaan, atau jadwal penerapan jaringan. Rincian tersebut juga tidak membuktikan adanya demonstrasi satelit atau drone. Lingkungan itu menjadi salah satu alasan penelitian ini dilakukan, tetapi hasil konkret koeksistensi jaringan yang dilaporkan berkaitan dengan serat optik.

Dampaknya bagi komunikasi kuantum praktis

Kaitan paling bermanfaat antara hasil-hasil ini adalah bahwa toleransi derau dan kompatibilitas dengan infrastruktur yang ada ditangani dalam program penelitian yang sama. Sistem cepat yang terbatas pada lingkungan terisolasi memecahkan masalah yang berbeda dari sistem yang dapat berbagi serat dengan peralatan komunikasi biasa.

Studi ini juga menunjukkan mengapa frekuensi operasi saja tidak cukup untuk mengukur kemajuan. Nilai praktisnya bergantung pada apakah kecepatan itu dapat menghasilkan kunci aman setelah kehilangan sinyal, deteksi yang tidak diinginkan, dan pemrosesan data terbatas diperhitungkan. Metode distilasi keunggulan membantu menghubungkan operasi perangkat keras berkecepatan tinggi dengan keluaran yang berguna dalam kondisi bising.

Uji sepanjang 150 kilometer memberikan contoh konkret penerapan kemajuan tersebut: komunikasi antarkota dengan infrastruktur optik bersama. Penilaian lebih lanjut mengenai kesiapan penerapan memerlukan rincian operasi yang belum tersedia dalam hasil ini, termasuk kinerja berkelanjutan dan biaya. Tidak ada tenggat penerapan atau tanggal uji lanjutan yang disebutkan.

Poin-poin penting

• University of Science and Technology of China dan mitranya mendemonstrasikan MDI QKD menggunakan distilasi keunggulan dan detektor semikonduktor ringkas.
• Sistem beroperasi pada 2,5 gigahertz dan menghasilkan kunci aman saat jumlah derau mencapai 425 kilohertz.
• Toleransi derau yang dilaporkan meningkat empat orde magnitudo, setara dengan faktor 10.000 dibandingkan sistem acuan yang disebutkan.
• Makalah tersebut melaporkan laju kunci aman pada tingkat kilobit per detik saat atenuasi kanal mencapai 30 desibel.
• Demonstrasi terpisah menggunakan peralatan komunikasi optik China Unicom untuk transmisi melalui serat bersama sepanjang 150 kilometer.
• Hasil ini tidak membuktikan operasi komersial rutin, jadwal penerapan, atau koneksi satelit yang telah didemonstrasikan.