用量子糾纏“鎖”住密碼安全——不依賴設備的量子密鑰分發(fā)實驗首次演示

　　這是使用的兩個離子阱之一，位于圖像的中心。在陷阱周圍運行許多激光束線用于離子的制備和操作。在陷阱的前面，可看到連接到另一個陷阱（光纖）的量子網(wǎng)絡末端。圖片來源：大衛(wèi)·納德林格/牛津大學

不依賴設備的量子密鑰分發(fā)藝術示意圖。圖片來源：Scixel/恩里克·薩哈古

　　密碼學的藝術是巧妙地轉換信息，使它們對除了預期的接收者之外的每個人都毫無意義。現(xiàn)代密碼方案，例如支持數(shù)字商務的方案，通過要求對手執(zhí)行消耗大量計算能力的數(shù)學運算，來防止被非法破譯信息（例如信用卡信息）。

　　然而，從1980年代開始，密碼學引入了巧妙的理論概念，安全性不再依賴于竊聽者的有限數(shù)字處理能力。相反，量子物理學的基本定律限制了對手最終可以攔截多少信息。在一個這樣的概念中，只需對所使用的物理設備進行一些一般性假設，就可以保證安全性。這種“獨立于設備”的方案長期以來一直受到追捧，但迄今仍然遙不可及。

　　來自英國牛津大學、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院、蘇黎世聯(lián)邦理工學院、日內(nèi)瓦大學及法國原子能和可替代能源委員會的國際研究團隊在《自然》雜志報告了此類協(xié)議的首次演示，從而朝著提供強大安全性的實用設備邁出了決定性的一步。

　　鑰匙是秘密

　　安全通信就是保持信息的私密性。而令人驚訝的是，在現(xiàn)實世界的應用程序中，合法用戶之間的大部分交易都是公開進行的。關鍵是發(fā)送者和接收者不必隱藏他們的整個通信。

　　本質(zhì)上，他們只需要分享一個“秘密”。這個秘密是一串比特，稱為加密密鑰，它使擁有它的每個人都能夠將編碼消息轉換為有意義的信息。但問題是如何確保只有合法方共享密鑰呢？

　　例如，在底層的密碼算法中，最廣泛使用的密碼系統(tǒng)之一RSA的密鑰分配基于未經(jīng)證實的猜想，即某些數(shù)學函數(shù)易于計算但難以還原。更具體地說，RSA依賴于這樣一個事實：對于今天的計算機來說，很難找到一個大數(shù)的素因數(shù)，而對它們來說，將已知的素因數(shù)相乘很容易得到那個數(shù)。因此，數(shù)學難度確保了保密性。

　　但是，今天不可能的事情，對于未來卻可能會很容易實現(xiàn)。眾所周知，量子計算機能比經(jīng)典計算機更有效地找到質(zhì)因數(shù)。一旦擁有足夠多量子比特的量子計算機得以運用，RSA編碼注定會變得可滲透。

　　量子理論不僅為破解數(shù)字商務核心的密碼系統(tǒng)提供了基礎，而且還為該問題的潛在解決方案提供了基礎，那是一種與RSA完全不同的密鑰分配方式，其與執(zhí)行數(shù)學運算的難度無關，而是與基本物理定律有關，這種方式就是量子密鑰分發(fā)（QKD）。

　　量子認證的安全性

　　1991年，波蘭裔英國物理學家阿圖爾·埃克特在一篇開創(chuàng)性的論文中表明，密鑰分配過程的安全性可通過直接利用量子系統(tǒng)獨有的特性來保證，而經(jīng)典物理學中沒有等效特性，這就是量子糾纏。

　　量子糾纏是指在單獨的量子系統(tǒng)上執(zhí)行的測量結果中，體現(xiàn)了某些類型的相關性。重要的是，兩個系統(tǒng)之間的量子糾纏是排他性的，因為沒有其他任何東西可與這些系統(tǒng)相關聯(lián)。

　　在密碼學的背景下，這意味著發(fā)送者和接收者可通過糾纏的量子系統(tǒng)在他們之間產(chǎn)生共享的結果，而第三方無法秘密獲得有關這些結果的任何信息。因為任何竊聽都會留下明顯標記入侵的痕跡。簡而言之：多虧了量子理論，合法的各方可以超出對手控制的方式相互交流。而在經(jīng)典密碼學中，等效的安全保證被證明是不可能的。

　　多年來，人們意識到基于埃克特想法的QKD方案有一個更顯著的好處：用戶只需對過程中使用的設備作出非常一般的假設。相比之下，基于其他基本原理的早期QKD形式需要詳細了解所用設備的內(nèi)部工作原理。QKD的新穎形式通常被稱為“不依賴設備的QKD”，其實驗呈現(xiàn)成為該領域的主要目標。現(xiàn)在，這種令人興奮的突破性實驗現(xiàn)在終于實現(xiàn)了。

　　從理論到實踐的跨越

　　該實驗涉及兩個單離子，一個用于發(fā)送器，一個用于接收器，都被限制在單獨的陷阱中，這些陷阱與光纖鏈路相連。在這個基本的量子網(wǎng)絡中，離子之間的糾纏在數(shù)百萬次運行中都能以創(chuàng)紀錄的高保真度產(chǎn)生。

　　如果沒有這種持續(xù)的高質(zhì)量糾纏源，該協(xié)議就無法以實際有意義的方式運行。同樣重要的是，要證明糾纏得到了適當?shù)睦茫毻ㄟ^證明是否違反了貝爾不等式的條件來完成。此外，為了分析數(shù)據(jù)和有效提取密鑰，需要在理論方面取得重大進展。

　　在實驗中，作為“合法方”的離子位于同一個實驗室，但是有一條明確的路線可將它們之間的距離延伸到千米甚至更遠。從這個角度來看，再加上德國和中國在相關實驗方面取得的進展，現(xiàn)在將埃克特的理論概念轉化為實用技術，有了明確的前景。