17公里內(nèi)可連接八個以上用戶
英布里斯托城迎來“超安全量子網(wǎng)絡(luò)”
實習(xí)記者 張佳欣 實習(xí)生 高行健
眾所周知，我們現(xiàn)階段使用的網(wǎng)絡(luò)正成為黑客的“游樂場”，從不安全的通信線路到未受到充分監(jiān)督的云端數(shù)據(jù)庫，網(wǎng)絡(luò)中的漏洞無處不在。
而物理學(xué)家正加緊研究的量子網(wǎng)絡(luò)中，信息將在量子世界中被創(chuàng)造、存儲和傳輸：傳統(tǒng)信息通過值為0或1的二進(jìn)制數(shù)字進(jìn)行處理，相比之下，量子信息則利用了可以由0與1進(jìn)行疊加的量子比特，因而可以在光子的偏振狀態(tài)或電子與原子核的自旋狀態(tài)下被編碼，更復(fù)雜的編碼使得量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)得以提供用戶更高級別的私密性、安全性和計算能力。
近期，英國布里斯托大學(xué)的物理學(xué)家喬希及其團(tuán)隊成功在布里斯托城建立了城市范圍的“超安全量子網(wǎng)絡(luò)”，該網(wǎng)絡(luò)可以連接城市17公里范圍內(nèi)的超過八個用戶，將通過促進(jìn)實現(xiàn)多用戶之間量子密碼的應(yīng)用，保障量子互聯(lián)網(wǎng)的安全。因此，這一實驗被視為全量子互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)路上的又一里程碑。
過去：極復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)鏈路
“量子密碼術(shù)”包括重要的“量子密鑰分配”（QKD）過程，即利用量子力學(xué)原理創(chuàng)造用于編碼和解碼的私人密鑰。在以往的“量子密鑰分配”協(xié)議中，通常是兩個用戶在信息的分享與交換中對兩者間的一些測量結(jié)果達(dá)成共識，關(guān)鍵之處在于這些結(jié)果是不公開的，兩個用戶可以通過利用這些結(jié)果在公用鏈路中建立可以編碼和解碼信息的私人密鑰。
然而，若想擴大規(guī)模，讓其他用戶加入網(wǎng)絡(luò)，以往協(xié)議的方法就將面臨很大困難。
其中一種思路是現(xiàn)有用戶中的一者與新用戶建立安全鏈路，另一者經(jīng)由前者將信息傳遞給新用戶來實現(xiàn)與新用戶的聯(lián)系，然而這個過程需建立在后者信任前者的基礎(chǔ)之上，如其中存在“不可信”的不安全節(jié)點，如此一來量子網(wǎng)絡(luò)安全保密的優(yōu)勢也就不復(fù)存在了。
由此，為避免對現(xiàn)有用戶的影響，只能通過添加用戶節(jié)點，在新用戶與兩個現(xiàn)有用戶建立鏈路。如此，按照排列組合原則，含有2個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)需要1條鏈路，含有3個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)需要3條鏈路，含有8個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)就需要28條鏈路……這將使加入新用戶的成本和復(fù)雜程度大幅增加。
現(xiàn)在：超安全的量子密鑰
在近日設(shè)計的“超安全量子網(wǎng)絡(luò)”中，喬希及其團(tuán)隊使用了另一種QKD協(xié)議，通過在任意兩個節(jié)點之間共享糾纏粒子，建設(shè)了一種不同的網(wǎng)絡(luò)，從而解決了這些問題。在該協(xié)議中，他們利用多對糾纏光子建立了一種私人密鑰。兩個用戶中只需其中一對光子中的一個，便可分別通過個人的粒子隨機執(zhí)行一種特定的測量，而由于光子糾纏的緣故，兩個用戶只要進(jìn)行相同的測量便可得到一致的結(jié)果，從而在公用鏈路中分享他們成對粒子的測量序列并選擇共同的結(jié)果，以形成一個不對其他用戶公開的私人密鑰。
這樣，研究人員便不再需要在八個節(jié)點之間分別建立物理聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)，而只需建立一個將糾纏光子傳輸給八個節(jié)點的中心源，每個節(jié)點只通過一根光導(dǎo)纖維與中心源相連，建立起八條鏈路，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)QKD建立28條鏈路的思路。因此，即使每個節(jié)點之間沒有物理聯(lián)系，研究人員設(shè)計的新QKD協(xié)議仍在每對節(jié)點之間搭建起了依靠量子糾纏形成私人密鑰的虛擬鏈路，使其相互連通。如此，兩個節(jié)點便可在一定時間階段共享糾纏光子并形成強相關(guān)，從而形成兩個用戶之間的私人密鑰。
未來：更大范圍的網(wǎng)絡(luò)覆蓋
對于量子網(wǎng)絡(luò)的研究一直受到物理學(xué)家的廣泛重視。早在2019年年初，研究人員已將利用鉆石和水晶中的瑕疵幫助光子實現(xiàn)變色、使用無人機充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點等一系列奇異的材料和方法投入量子領(lǐng)域研究。許多研究人員表示，量子網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的第一階段將是通過利用標(biāo)準(zhǔn)光纖連接50到100公里間的至少三個小型量子設(shè)備。而據(jù)歐洲量子互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟一研究人員預(yù)測，這一網(wǎng)絡(luò)的建立需要5年時間。對于這一目標(biāo)的實現(xiàn)，近日“超安全量子網(wǎng)絡(luò)”的建立無疑是重要而具有里程碑意義的。
這項研究成果在量子網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用與發(fā)展領(lǐng)域都有著深遠(yuǎn)影響：中心源的建立使得添加新的用戶節(jié)點更為簡便，只要通過對中心源的“信道分流和多路復(fù)用”方案進(jìn)行修改，并將新節(jié)點與之相連，就能在不影響其他節(jié)點的情況下完成；同時也無須擔(dān)心“不可信”節(jié)點的存在，可以說真正實現(xiàn)了用戶間量子密碼的不可破解與“超安全”性。
量子網(wǎng)絡(luò)的未來應(yīng)用值得期待，然而研究人員還需進(jìn)一步解決兩項關(guān)鍵問題：其一，量子網(wǎng)絡(luò)須與任意大量用戶互相聯(lián)系；其二，該量子網(wǎng)絡(luò)須能通過量子中繼器增大量子狀態(tài)的分布范圍，或使用衛(wèi)星發(fā)射量子比特或糾纏粒子到地面的節(jié)點，實現(xiàn)洲內(nèi)、洲際的大范圍覆蓋。喬希承認(rèn)其團(tuán)隊尚未解決量子網(wǎng)絡(luò)距離問題，對此，他表示他們正努力建造一個宇宙兼容的中心源。
（《科技日報》2020年10月29日第 2 版。）
