量子互聯(lián)網(wǎng)的新突破：黑客可能將成為歷史

新冠疫情期間，全世界有大量的人都只能在家工作，許多人也更加意識(shí)到，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送敏感信息存在著許多安全風(fēng)險(xiǎn)。信息科學(xué)家所能提出的最好方法，就是盡可能地讓你的信息很難被攔截（或者被黑掉）——盡管目前來(lái)看還不可能。

我們需要的是一種新型的互聯(lián)網(wǎng)：量子互聯(lián)網(wǎng)。在這個(gè)新的全球網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)是安全的，連接是隱私的，對(duì)信息被攔截的擔(dān)憂將成為過(guò)去。

近日，英國(guó)布里斯托爾大學(xué)的量子通信研究者Siddarth Koduru Joshi和同事在《科學(xué)-進(jìn)展》（Science Advances）雜志上發(fā)表了一項(xiàng)突破性進(jìn)展，指出可以利用現(xiàn)有的通信基礎(chǔ)設(shè)施，擴(kuò)展量子互聯(lián)網(wǎng)背后的概念，從而使量子互聯(lián)網(wǎng)成為可能。

目前保護(hù)在線數(shù)據(jù)的方法是使用數(shù)學(xué)問(wèn)題進(jìn)行加密，如果你有一把解鎖的數(shù)字“鑰匙”，就可以很容易解開(kāi)數(shù)學(xué)問(wèn)題，從而破解密碼;如果沒(méi)有這把“鑰匙”的話，密碼就很難破解。然而，很難并不意味著不可能，只要有足夠的時(shí)間和計(jì)算能力，今天的加密方法都是可以破解的。

相比之下，量子通信使用光的單個(gè)粒子（光子）來(lái)創(chuàng)建密鑰，而根據(jù)量子物理學(xué)原理，你不可能制造出精確的密鑰副本。復(fù)制這些密鑰的任何嘗試都將不可避免地導(dǎo)致可被檢測(cè)的錯(cuò)誤。這意味著，無(wú)論黑客多么聰明、多么強(qiáng)大，也無(wú)論他們擁有什么樣的超級(jí)計(jì)算機(jī)，都無(wú)法復(fù)制量子密鑰或讀取加密的信息。

這一概念已經(jīng)在衛(wèi)星和光纖電纜上得到驗(yàn)證，并被用于在不同國(guó)家之間發(fā)送安全信息。那么，為什么我們還沒(méi)有在日常生活中使用它呢？答案是，實(shí)現(xiàn)這一概念需要昂貴的專門(mén)技術(shù)，意味著目前還無(wú)法擴(kuò)展。

以往的量子通信技術(shù)就像成對(duì)的兒童對(duì)講機(jī)。每一對(duì)想要安全通信的用戶都需要一對(duì)手機(jī)。因此，如果3個(gè)孩子想要相互交談，他們就需要3對(duì)手機(jī)（或6個(gè)對(duì)講機(jī)），每個(gè)孩子必須有兩對(duì)。如果8個(gè)孩子想要互相交談，他們就需要56個(gè)對(duì)講機(jī)。

顯然，對(duì)于那些想要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行交流的人來(lái)說(shuō)，為每個(gè)人或每個(gè)網(wǎng)站配備單獨(dú)的設(shè)備是不現(xiàn)實(shí)的。因此，Siddarth Koduru Joshi等人想出了一種方法，讓每個(gè)用戶只用一臺(tái)設(shè)備就可以安全地連接，這更像電話而不是對(duì)講機(jī)。

為了共享量子密鑰并確保通信安全，每個(gè)對(duì)講機(jī)都起著發(fā)射器和接收器的作用。在Siddarth Koduru Joshi等人的模型中，用戶只需要一個(gè)接收器，因?yàn)樗麄兛梢詮闹醒氚l(fā)射器獲得光子來(lái)生成密鑰。

這是有可能的，因?yàn)榱孔游锢韺W(xué)還有另一個(gè)原理——糾纏。一個(gè)光子不能被精確復(fù)制，但它可以與另一個(gè)光子糾纏在一起，這樣無(wú)論它們相距多遠(yuǎn)，它們的行為在被測(cè)量時(shí)都是一樣的——這就是阿爾伯特·愛(ài)因斯坦所說(shuō)的“鬼魅般的遠(yuǎn)距作用”。

完整的網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)兩個(gè)用戶想要通信時(shí)，中央發(fā)射器就會(huì)發(fā)送一對(duì)糾纏的光子，每個(gè)用戶一個(gè)光子。然后，用戶的設(shè)備對(duì)這些光子進(jìn)行一系列測(cè)量，從而創(chuàng)建一個(gè)共享的量子密鑰。然后他們可以用這個(gè)密鑰加密他們的信息，并安全地進(jìn)行傳送。

利用多路復(fù)用（multiplexing，一種常用的通信技術(shù)），我們可以將這些糾纏的光子對(duì)有效地同時(shí)發(fā)送給多個(gè)組合的人。我們還可以向每個(gè)用戶發(fā)送許多信號(hào)，而這些信號(hào)可以同時(shí)被解碼。通過(guò)這種方式，對(duì)講機(jī)被有效地?fù)Q成了一種更類似于多參與者視頻通話的系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，你可以私下、獨(dú)立地與每個(gè)用戶進(jìn)行通信，也可以同時(shí)通信。

到目前為止，Siddarth Koduru Joshi等人通過(guò)連接一個(gè)城市的8個(gè)用戶，建立了一個(gè)這樣的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)量子網(wǎng)絡(luò)的概念進(jìn)行了測(cè)試。他們正在努力提高網(wǎng)絡(luò)的速度，并將多個(gè)這樣的網(wǎng)絡(luò)互連起來(lái)。已經(jīng)有合作者開(kāi)始使用他們的量子網(wǎng)絡(luò)作為測(cè)試平臺(tái)，對(duì)量子通信以外的幾個(gè)應(yīng)用進(jìn)行測(cè)試。

Siddarth Koduru Joshi等人也希望在未來(lái)幾年內(nèi)與商業(yè)伙伴在此技術(shù)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出更好的量子網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)這樣的創(chuàng)新，他們希望能在未來(lái)十年見(jiàn)證量子互聯(lián)網(wǎng)的興起。