摘要：近日，美国普渡大学（Purdue University）与橡树岭国家实验室（ORNL）的科研团队联手，在一台真正运行中的核反应堆内成功演示了量子通信技术。这是全球第一次将量子密钥分发（Quantum Key Distribution，简称 QKD）系统部署到核
近日，美国普渡大学（Purdue University）与橡树岭国家实验室（ORNL）的科研团队联手，在一台真正运行中的核反应堆内成功演示了量子通信技术。这是全球第一次将量子密钥分发（Quantum Key Distribution，简称 QKD）系统部署到核电厂环境下进行测试，为核能系统的信息安全打开了新思路。
这套由日本托希巴（Toshiba）提供的 QKD 系统，装在普渡大学的 PUR-1 小型实验反应堆上。在实验中，系统稳定生成密钥速率达 320 千比特每秒，并在约 54 公里 的单模光纤传输距离里，将量子比特误码率（QBER）控制在仅 3.8%。这么高的性能，尤其考虑到核反应堆周围的电磁干扰和辐射环境，不仅证明了量子加密的可行性，也为未来清洁能源领域的安全防护提供了现实样本。
核能技术
随着全球碳中和目标向前推进，核裂变发电技术正在迎来“第二春”。过去我们习惯看到的大型压水堆、沸水堆等传统核电站项目，体积大、建设周期长；但从近年来开始，**小型模块化反应堆（SMR）和微型反应堆（Microreactor）**因为成本更低、拌和周期短、适合在偏远地区或军事基地部署，逐渐成为市场宠儿。它们可以提供稳定的零碳电力，甚至能作为工业园区、海岛、甚至深海平台的移动能源方案。
不过，这种“分布式”“多点部署”的核能形式，也意味着更加依赖远程数据监控和联网控制。假如黑客对反应堆控制系统发动网络攻击，就有可能干扰关键监测数据，影响安全操作，甚至触发事故隐患。一旦消息外泄或出现安全问题，很容易引发社会恐慌或舆论风暴。眼下传统的 RSA、AES 等加密方式固然成熟，但面对量子计算机突飞猛进的破解能力，很有可能在未来几年内被攻破。
**量子密钥分发（QKD）」技术正好可以填补这一空白。它利用量子比特（通常是光子的偏振状态或相位状态）**来传递加密密钥。当有人试图窃听光子时，这个“测量干扰”会立刻被发现，任何异常都会显示在误码率上。换句话说，一旦有第三方动手窃听，通信双方就能立刻察觉，并丢弃被窃听的那一段密钥再重新生成，保证信息本身始终处于绝对安全的状态。对核电站这样对安全要求极高的场景来说，堪称“杀手级”应用。
从上世纪 60 年代开始，美国就开始使用核能发电，但直到最近几年，大多数核电厂在控制系统方面依旧是混合模拟与数字的架构，诸如机械旋钮、指针仪表与数字屏幕并存。与之不同，PUR-1 是美国第一个——也是目前唯一一个——完全由数字系统适配的实验性核反应堆。它没有传统的旋钮或机械仪表，全靠显示屏、键盘和以太网布线来完成堆芯功率调节、冷却系统控制等所有操作。
全数字化控制系统：相当于把“核反应堆操作系统”从零开始进行信息化改造，将所有信号采集、处理、控制指令等都通过数字化方式完成。这样的系统既方便远程监控，也可以随时升级、防护补丁及时打上。数字孪生（Digital Twin）平台：研究人员可以通过虚拟镜像，在数据中心对反应堆运行状态进行高保真模拟。新技术、新组件可以先在“孪生体”里跑模拟，验证没问题后再接入真实系统，降低实验风险。正是因为 PUR-1 拥有这样极高的数字化通透度，它才成为测试量子加密的“天然舞台”。Phil Evans（橡树岭国家实验室 量子通信与网络技术组 高级研发人员）也在声明中指出：“PUR-1 独特的数字化设施和数字孪生系统，使其能够在不干扰实际核实验条件的情况下，对新兴技术展开深度测试。”
核能技术
实验团队与 Toshiba 通力合作，将 QKD 系统分两端接入 PUR-1 中：一端放在反应堆控制室，另一端部署在几公里外的专用机房。两端通过单模光纤进行信息传输。单模光纤之所以能传较远距离，主要是因为它能让光子沿着单一路径传播，减少模式间干扰和信号衰减——这是实现远距离量子通信的基础。
在实验中，研究人员还特意引入了：
延时线路（Delay Line）：模拟反应堆与远程监控中心之间存在“物理距离”时，会出现的信号飞行时间延迟。信号衰减器（Attenuator）：人为调节光信号强度，模拟管道、连接器等实际光纤链路中的损耗情况。通过这些技术手段，光子从发送端到接收端一路“过五关斩六将”，最终系统仍能稳定地以320 kbps 生成量子密钥，并且在约 54 公里传输距离中，将误码率（QBER）控制在**3.8%**以内。简单来说：只要误码率低于一定阈值，就可以通过后端纠错与隐私放大算法，生成真正“安全无虞”的加密密钥。
当研究者 缩减核心信号数量至 68 路 时，通过“一次性密码本（OTP）”方式，实验还支持了长达 135 公里的加密传输，而误码率与稳定性依旧符合预期。OTP 是信息论上最安全的加密方式，只要密钥足够随机且只使用一次，就无法被穷举破解。更值得一提的是 加/解密延迟：在核电站运行场景中，监测数据的反应时间极其敏感。研究结果显示，整个加密和解密过程的延迟均保持在0.5 秒以内，对比核电厂常见的操作响应阈值（通常在数秒甚至十几秒级别），有充足的余裕来保证指令与监测数据的实时性。当 QKD 通道出现故障时，研究团队也设计了备用密钥缓存机制，可在短时内自动切换到预先生成的一段量子密钥，确保通信不会中断。这对于远程部署的微型反应堆尤为重要——因为偏远地区网络环境可能不稳定，一旦关键数据传不上来，就可能影响整个系统的安全保护。
小型核反应堆（SMRs、Microreactors）的崛起与传统大型商业化核电站相比，小型反应堆投资更低、建设周期更短、可灵活部署到偏远地区、海岛或军事基地。很多国家（包括我国）都在布局 SMR 技术，以实现“低成本、可移动、零碳排”的能源愿景。与此同时，这些小反应堆往往需要基于网络进行实时监控与遥控，涵盖温度、压力、中子通量、冷却剂流量等关键数据，需要高度安全的通信保障。量子加密在这里的潜力十分巨大，一旦成本与配套设施成熟，未来很可能成为小型反应堆标配。核电数字化转型势在必行
像 PUR-1 这样“全数字化+数字孪生”的核反应堆，既能提升工程效率，也能降低人工干预带来的风险。我国目前已有几座示范性智能化核电厂项目，但整体来看，大多数核电站还在向“半数字化”过渡。我们可以借鉴海外经验，将控制系统、仿真系统、运维系统等全链条数字化，结合量子通信、区块链溯源等新技术，打造更安全、更高效的“核能操作系统”。网络与信息安全壁垒升级
量子通信的普及，将对现有密码体系带来颠覆性冲击。在未来 5~10 年内，随着商业化量子计算机性能提升，传统公钥加密算法（如 RSA、ECC）都可能被破解。以“量子抗性加密”+“量子密钥分发”为组合的新一代安全架构，将成为包括核电、石化、航空、航天等关键基础设施的安全底座。企业与科研机构需要赶紧跟上这波潮流，布局量子安全相关科研和产业链。多学科融合推动工程创新
从这次实验可以发现，量子通信不是孤立的“高大上”技术，它要与光通信工程、核工程、电子工程、控制工程乃至网络安全等多个领域深度融合。未来属于复合型人才——既懂核反应堆热工水力学、也懂量子态纠错、还要懂网络安全协议。对于科研单位和高校来说，要尽快在跨学科联合实验室、联合培养项目等层面发力，才能培养出适应新一代工程与技术趋势的人才。
核能技术
加速核电数字化和智能化升级我国政策早已强调推动核电站智能化改造，比如“示范智能化堆型”等项目正在推进，但多数聚焦在单堆监测、远程运维。接下来可参考 PUR-1 经验，打造全数字化控制系统+数字孪生平台的示范性实验堆，让新技术能在实验环境中先“跑通”，再在商用核电站上进行规模化应用。布局本土量子安全产业链
虽然现在市面上已有几家厂商提供 QKD 设备，但大多还是依赖国外核心器件，比如超低温冷却的单光子探测器等。我国可优先扶持国内企业和研究机构，在量子光源、单光子探测芯片、集成光路等环节发力，早日形成自主可控的量子通信设备产业链。同时，也要同步推进量子抗性算法的标准化与验证，确保在量子时代到来前，关键信息基础设施的安全防线牢不可破。鼓励军民融合与多场景试点
小型微型反应堆未来很可能在偏远地区、海洋平台、沙漠和高寒地区投入使用，连线质量和环境条件会更加复杂。我国既有在戈壁沙漠、高原等环境建设的科研站，也有海试平台的需求，具备开展量子通信+小型核反应堆融合实验的客观条件。政府可给予专项资金支持，促使科研机构、军工企业和能源企业联合攻关，在多场景下验证量子通信系统的可靠性。构建跨学科人才培养生态
量子通信和核能结合，需要既懂核工程原理、又懂光电通信与网络安全的人才。鼓励高校在核科学与技术、光电信息工程、网络空间安全等专业之间设立交叉学科课程，打造联合培养基地，培养一批能够同时对接工程实现层面与信息安全层面的复合型人才，为我国核电行业未来的数字化与安全升级提供人力保障。
结语：
这次美国团队在 PUR-1 核反应堆中验证量子通信，不仅意味着“量子安全”已经迈出了实质性的一步，也昭示了未来核能与信息安全领域的深度融合趋势。对于我国而言，这既是一次“大开眼界”的工程演示，也是一套宝贵的科技路线图：在通向“双碳”目标的道路上，让清洁能源与信息安全共生共荣，才能真正实现高效、可靠、可持续的发展。
来源：万物云联网