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世界新動(dòng)態(tài)：量子密碼學(xué)：讓量子計(jì)算機(jī)背后的黑客無(wú)功而返

2022-09-12 08:44:16 來(lái)源：cnBeta.COM

互聯(lián)網(wǎng)上充滿(mǎn)了高度敏感的數(shù)據(jù)。一般來(lái)說(shuō)，復(fù)雜的加密技術(shù)可以保證這些材料無(wú)法被截獲和讀取。然而，在未來(lái)，高性能的量子計(jì)算機(jī)可以在幾秒鐘內(nèi)破解這些密鑰。而幸運(yùn)的是，量子力學(xué)方法不僅提供了新的、快得多的算法，而且還提供了非常有效的可以與之對(duì)抗的密碼學(xué)。

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(資料圖片)

量子密鑰分發(fā) (QKD) 可以安全地抵御對(duì)通信通道的攻擊，但不能抵御對(duì)設(shè)備本身的攻擊或操縱。這是因?yàn)樵O(shè)備可能會(huì)輸出一個(gè)制造商之前保存的密鑰，并可能傳遞給黑客。與設(shè)備無(wú)關(guān)的QKD（縮寫(xiě)為DIQKD）則是一個(gè)不同的概念。加密協(xié)議不受設(shè)備的影響。這項(xiàng)技術(shù)自20世紀(jì)90年代起就在理論上為人所知，但它剛剛由慕尼黑路德維希-馬克西米利安大學(xué)的物理學(xué)家哈拉爾德·溫弗特和新加坡國(guó)立大學(xué)的查爾斯·林領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究小組在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)。

交換量子力學(xué)密鑰的方法有很多。發(fā)射器向接收器發(fā)送光信號(hào)，或者采用糾纏的量子系統(tǒng)。科學(xué)家們?cè)谀壳暗膶?shí)驗(yàn)中采用了兩個(gè)量子力學(xué)糾纏的銣原子，在LMU校園內(nèi)相隔400米的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室里。這兩個(gè)設(shè)施由一條700米長(zhǎng)的光纜連接，光纜從主樓前的Geschwister Scholl廣場(chǎng)下穿過(guò)。

為了創(chuàng)造糾纏，科學(xué)家們首先用一個(gè)激光脈沖刺激每個(gè)原子。在這之后，原子自發(fā)地回到它們的基態(tài)，每個(gè)原子都釋放出一個(gè)光子。由于角動(dòng)量守恒，原子的自旋與它所發(fā)射的光子的偏振相糾纏。這兩個(gè)光粒子通過(guò)光纜到達(dá)一個(gè)接收站，在那里對(duì)光子的綜合測(cè)量顯示了原子量子記憶糾纏。

為了交換密鑰，Alice與Bob--這通常被密碼學(xué)家稱(chēng)為兩方測(cè)量他們各自原子的量子狀態(tài)。在每種情況下，這是在兩個(gè)或四個(gè)方向上隨機(jī)進(jìn)行的。如果方向一致，測(cè)量結(jié)果就會(huì)因糾纏而相同，并可用于生成密匙。對(duì)于其他測(cè)量結(jié)果，可以評(píng)估一個(gè)所謂的貝爾不等式。物理學(xué)家約翰·斯圖爾特·貝爾最初提出這些不等式是為了測(cè)試自然界是否可以用隱藏的變量來(lái)描述。

"事實(shí)證明，它不能，"溫弗特說(shuō)。

在DIQKD中，該測(cè)試被用來(lái)"專(zhuān)門(mén)確保在設(shè)備上沒(méi)有任何操作--也就是說(shuō)，例如，隱藏的測(cè)量結(jié)果沒(méi)有被事先保存在設(shè)備中，"溫弗特解釋說(shuō)。

與早期的方法相比，由新加坡國(guó)立大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)的實(shí)施的協(xié)議使用兩個(gè)測(cè)量設(shè)置來(lái)生成密鑰，而不是一個(gè)。林說(shuō)："通過(guò)引入密鑰生成的額外設(shè)置，截獲信息變得更加困難，因此該協(xié)議可以容忍更多的噪音，甚至對(duì)于質(zhì)量較差的糾纏狀態(tài)也能生成密匙。"

相比之下，用傳統(tǒng)的QKD方法，只有在所使用的量子設(shè)備被充分表征的情況下才能保證安全性。"因此，這種協(xié)議的用戶(hù)必須依賴(lài)QKD供應(yīng)商提供的規(guī)格，并相信設(shè)備在密鑰分發(fā)期間不會(huì)切換到另一種工作模式，"Tim van Leent解釋說(shuō)，他是與Zhang Weo和Kai Redeker一起撰寫(xiě)該論文的四位主要作者之一。"至少十年前就已經(jīng)知道，老式的QKD設(shè)備很容易從外部被入侵。"

溫弗特解釋說(shuō)："用我們的方法，我們現(xiàn)在可以用未定性的、可能不值得信賴(lài)的設(shè)備生成秘鑰。"

事實(shí)上，他最初對(duì)該實(shí)驗(yàn)是否會(huì)成功也有懷疑。但他的團(tuán)隊(duì)證明了他的疑慮是沒(méi)有根據(jù)的，并大大改善了實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量。除了LMU和NUS之間的合作項(xiàng)目，牛津大學(xué)的另一個(gè)研究小組也展示了獨(dú)立于設(shè)備的密鑰分配。為了做到這一點(diǎn)，研究人員在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室里使用了一個(gè)由兩個(gè)糾纏的離子組成的系統(tǒng)。

"這兩個(gè)項(xiàng)目為未來(lái)的量子網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)，在這種網(wǎng)絡(luò)中，遠(yuǎn)距離的通信是可能的，"查爾斯·林說(shuō)。

研究人員下一個(gè)目標(biāo)之一是擴(kuò)大該系統(tǒng)，納入幾個(gè)糾纏的原子對(duì)。這將允許產(chǎn)生更多的糾纏狀態(tài)，從而提高數(shù)據(jù)速率，最終提高密鑰的安全性。

此外，研究人員還希望能增加范圍。在目前的裝置中，它受到實(shí)驗(yàn)室之間的光纖中大約一半的光子損失的限制。在其他實(shí)驗(yàn)中，研究人員能夠?qū)⒐庾拥牟ㄩL(zhǎng)轉(zhuǎn)化為適合電信的低損耗區(qū)域。通過(guò)這種方式，只需一點(diǎn)額外的噪音，他們就能將量子網(wǎng)絡(luò)的連接范圍增加到33公里。

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