理大成功完成香港第一個量子通訊網絡及測試

作為21世紀具顛覆性的創新突破之一，量子科技正重塑全球科技版圖。香港理工大學(理大)日前在量子通訊取得重要突破，完成了以量子晶片為平台的全球最長光纖量子通訊網絡安全測試，為量子通訊商業化應用，揭開了新的篇章，亦切合國家「十五五」規劃未來產業佈局中，將量子科技排在首位的戰略佈局。

量子科技已在量子計算機、量子衛星與精密測量等領域釋放巨大價值，並即將引領計算與數據加密技術的革命性升級。量子計算機強大的運算能力，足以瞬間破解現時加密技術，或對金融交易驗證、數據跨境私隱保護，物聯網設備通訊等多方面構成安全威脅。全球各地積極發展量子加密技術以應對量子時代的網絡安全風險。

理大量子技術研究院院長、電機及電子工程學系量子工程與科學講座教授、香港全球傑出創科學人劉愛群教授團隊研發了量子通訊晶片，成功搭建香港第一個量子通訊網絡。劉教授指出：「量子通訊加密基於量子力學基本原理：量子不可複製，理論上幾乎無法破解。小小量子晶片，實為『國之重器』。它守護着香港未來數字金融的安全，更捍衛着其國際金融中心的地位。理大量子技術研究院勇於擔當，以全球領先的量子技術為此保駕護航。」

理大量子技術研究院在劉愛群教授的領導下，以半導體技術自主研發出一枚僅12毫米 ×4毫米的量子晶片，並透過運用香港 HKCOLO.NET 數據中心捐贈的光纖網絡，完成了光纖網絡量子加密傳輸測試。這個光纖網絡長約55公里，連接港九新界四個節點，包括理大、另一所大學及兩所位於將軍澳和柴灣的大型數據中心，期間量子晶片編碼並發射光子組成量子訊號，在點對點之間加密及傳送訊息。

量子晶片以1.25 GHz(千兆赫)時脈高速運行，產生和傳輸量子編碼訊號，達到45.73 kbps(千位元每秒)的穩定密鑰生成速率，支持實現百公里以上的加密光纖通訊。此外，系統根據溫度變化和振動等環境因素調整，以保持連接穩定，充分證實了商業應用的可行性。

理大高級副校長(研究及創新)趙汝恒教授表示：「量子科技發展一日千里，全球各金融中心都積極部署，以應對量子時代的網絡安全風險。香港作為亞洲領先的國際金融中心，更應提前佈局為量子運算時代作好準備。今次科研成果除了回應國家『十五五』規劃戰略部署，亦配合了香港《創新科技發展藍圖》發展先進製造及微電子的核心目標，為本港創新產業帶來重大機遇。理大將持續推動科研成果轉化為具影響力的實際應用，助力香港成為國際創新科技中心。」

劉愛群教授強調：「有別於以光學器件組裝的量子加密系統，理大研發了新一代量子晶片，具備『高速率、高穩定性、低成本、可大批量生產』四大優勢。相關設備體積小、重量輕、易安裝，尤其適合大規模部署。更重要的是，量子晶片系統兼容性強，可適用於現行網絡通訊系統數據中心與計算中心，有助金融機構及政府部門等快速進行系統升級，以應對算力升級帶來的網絡攻擊挑戰。」

他補充說，理大量子技術研究院將在現有的網絡基礎上，進一步完善和開展多點傳送的規模化部署測試，推動技術在更廣領域的不同商業場景應用。為香港跨入下一代智能量子網絡(Smart Quantum Network)提供全方位的環境安全保障和支撐。

理大高級副校長(研究及創新)趙汝恒教授(中)、量子技術研究院院長、電機及電子工程學系量子工程與科學講座教授、香港全球傑出創科學人劉愛群教授(左)，以及本科生學院副院長、電機及電子工程學系教授劉伯濤教授(右)，展示大學研發的量子晶片。

趙汝恒教授表示理大將繼續推動科研成果轉化為具全球影響力的實際應用。

劉愛群教授闡述其科研團隊已成功完成香港第一個量子通訊網絡及測試。

劉伯濤教授指理大將繼續致力與業界合作，推動科研。

理大研發的量子晶片，具備「高速率、高穩定性、低成本、可大批量生產」的四大優勢。

理大研究團隊成功完成約 55 公里光纖網絡測試，連貫港九新界四個節點。

劉愛群教授(中)以及其研究團隊在理大量子技術研究院。

由香港理工大學、香港城市大學及華中科技大學學者組成的聯合研究團隊，首次發現海膽棘刺內部的梯度多孔立體網狀骨架具有強大的機電感知能力，能迅速感應水流。團隊更利用3D打印技術，成功製造出仿生新材料傳感器，為傳感技術帶來重大突破。

由理大協理副校長（研究）、研究生院院長、郭氏集團仿生工程教授兼機械工程學系講座教授王鑽開教授帶領的研究團隊，首次發現海膽棘刺內部的梯度多孔結構具有強大機電感知能力，能在水流經過時產生電訊號，並利用3D打印技術製造仿生超材料傳感器。

研究團隊在刺冠海膽身上觀察到，當海水滴落在棘刺尖端時，棘刺會在一秒內迅速旋轉。電學測量發現，棘刺受水滴刺激後，內部會產生約百毫伏電壓；水流刺激也能產生約數十毫伏的電壓。這種機電感知能力在已死亡的棘刺中依然存在，證明相關機制與生物細胞無關。

研究團隊構建了一款3 × 3陣列仿生3D超材料機械傳感器，各組件均採用了仿海膽棘刺的梯度多孔結構，無需額外電源，即可在水下即時記錄電訊號，並精準定位水流衝擊位置。

這種反應源自棘刺內部的雙連續梯度多孔立體網狀骨架。該骨架由大小不一的孔洞組成，並沿棘刺的基部到尖端逐漸變化：基部孔洞較大、固體密度較低，尖端孔洞較小、固體密度較高。當水流經此多孔結構時，流液界面發生相互作用，流動液體對雙電層產生剪切作用，誘導界面電荷的分離和重新排佈，從而產生電壓差。梯度結構會令水流與孔壁的碰撞更劇烈，使電壓差更強，從而提升感知能力。

團隊觀察到，當海水滴落在海膽棘刺尖端時，棘刺會迅速旋轉。他們利用電學測量，發現棘刺受水滴刺激後，內部會產生約百毫伏電壓。

受此發現啟發，研究團隊利用光固化3D打印技術，以高分子聚合物和陶瓷製作出模仿棘刺結構的樣本。實驗證實，在水流刺激下，仿生梯度設計相較一般非梯度設計，電壓輸出高約三倍，訊號振幅更增約八倍，顯示機電感知能力的關鍵在於結構而非材料。

團隊更構建了一款3 × 3陣列仿生3D超材料機械傳感器，各組件均採用梯度多孔結構。該傳感器無需額外電源，即可在水下即時記錄電訊號，並精準定位水流衝擊位置。研究指出，海膽棘刺的梯度多孔結構強化了訊號傳遞，提升了傳感器的精準度及靈敏度。

這種強大的機電感知機制可以複製至不同材料，並有望延伸至感測水流以外的各種訊號，包括壓力、震動、電波等，啟發其他領域的傳感技術。例如在腦機接口中，可用以增強腦電波及神經訊號的傳遞。

海膽棘刺的機電感知能力源自其內部獨特的雙連續梯度多孔立體網狀骨架：由大小不一的孔洞組成，並沿棘刺的基部到尖端逐漸變化，基部孔洞較大、固體密度較低，尖端孔洞較小、固體密度較高。

領導研究的理大協理副校長（研究）、研究生院長王鑽開表示，相比傳統機械傳感器，團隊設計的仿生超材料傳感器在可生產性、結構設計可能性、材料通用性、幾何與性能控制能力及水下自我感測時間差能力等方面均更勝一籌。

研究團隊構建了一款3 × 3陣列仿生3D超材料機械傳感器，各組件均採用了仿海膽棘刺的梯度多孔結構，無需額外電源，即可在水下即時記錄電訊號，並精準定位水流衝擊位置。

王鑽開期望結合多孔結構的梯度與3D打印技術，以不同材料、孔徑及表面特徵來製造更多仿生超材料傳感器，在更多領域發揮應用潛力。他亦指出，對於天然多孔材料而言，強度等力學性能或許並非其核心功能，深入探索這些鮮為人知的生物機制，對推動仿生研究發展具有至關重要的意義。
 
此項聯合研究已刊登於國際頂尖學術期刊《自然》上。