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英布里斯托城的“超安全量子网络”时代来袭

2020-10-30 15:31   来源: 互联网    阅读次数:3616

众所周知,我们在这个阶段使用的网络正成为黑客们的 "游乐场",从不安全的通信线路到无监督的云数据库,网络中到处都是漏洞。


在物理学家正在加紧研究的量子网络中,信息将在量子世界中被创造、存储和传输:传统的信息由数值为 0 或 1 的二进制数处理,而量子信息则使用可以叠加 0 和 1 的量子比特,因此它可以被编码在光子的极化状态或电子和核的自旋状态。更复杂的编码使量子网络系统能够为用户提供更高的隐私、安全性和计算能力。


最近,英国布里斯托大学(University OF Bristow) 的物理学家乔西(Josie) 和他的团队成功地在布里斯托尔建立了一个全城范围的 "超安全量子网络",它能在距离城市 17 公里的范围内连接 8 多个用户,并通过促进多个用户之间使用量子密码来保护量子互联网的安全。因此,这一实验被视为构建全量子互联网的又一个里程碑。


过去:极其复杂的网络链接


量子密码学 "包括一个重要的" 量子密钥分配 "(QKD) 过程,即利用量子力学原理创建用于编解码的私钥。在以前的" 量子密钥分配协议 " 中,两个用户通常在信息共享和交换中就两种测量结果达成共识,关键是这些结果是不公开的。两个用户可以利用这些结果建立私钥,这些私钥可以在公共链中编码和解码信息。


然而,如果你想扩大规模,让其他用户加入网络,以前的协议的方法将面临很大的困难。


其中一种思想是,现有用户中的一个与新用户建立安全链接,另一个通过新用户向新用户传输信息以实现与新用户的连接,但这一过程需要基于新用户对新用户的信任,例如存在 "不受信任的" 不安全节点,从而使量子网络安全和保密的优势不再存在。


因此,为了避免对现有用户的影响,只有在新用户和现有用户之间添加用户节点才能建立链接,这样,按照排列和组合的原则,两个节点的网络需要一个链路,三个节点的网络需要三个链路,而一个有八个节点的网络需要 28 个链接,这将大大增加加入新用户的成本和复杂性。


现在:超安全的量子密钥


在最近设计的“超级安全量子网络”中,Josh 和他的团队使用另一个 QKD 协议,通过在任意两个节点之间共享纠缠粒子来构建不同的网络,从而解决了这些问题。在这个秘密协议中,他们使用多个光子对来建立纠缠。两个用户只需要一对光子中的一个,就可以通过单个粒子随机执行特定的测量。然而,由于光子的纠缠,两个用户只要进行相同的测量,就可以得到相同的结果。因此,它们可以在公共链路中共享其对粒子的测量序列,并选择共同的结果以形成不同的用户公钥。

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这样,研究人员不再需要在 8 个节点之间建立物理连接网络,只需要建立一个中心源,将纠缠光子传输到 8 个节点。每个节点只通过一根光纤与中心源相连,建立了 8 条链路,这远远好于 QKD 中建立 28 条链路的传统思想。因此,即使每个节点之间没有物理连接,研究人员设计的新 QKD 协议仍然在每对节点之间建立一个虚拟链路,依靠量子纠缠形成一个私钥,使它们相互连接。这样,两个节点可以共享纠缠光子,并在一定时间内形成强相关,从而在两个用户之间形成私钥。


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在未来:更广泛的网络覆盖范围内,量子网络的研究受到了物理学家们的广泛重视。早在 2019 年初,研究人员就提出了一系列奇怪的材料和方法,比如利用钻石和晶体中的缺陷帮助光子变色,使用无人机作为网络节点。许多研究人员表示,量子网络发展的第一阶段将是使用标准光纤连接至少三个 50 至 100 公里之间的小型量子装置。据欧洲量子互联网联盟(europeanquantuminternetalliance)的一位研究人员称,建立这一网络需要 5 年时间。为实现这一目标,近期“超安全量子网络”的建立无疑是一个重要的里程碑。




这一研究成果对量子网络的应用和发展产生了深远的影响:中心源的建立使得增加新的用户节点更加容易。只要修改中央信源的“信道分复用”方案,将新节点与之连接,就可以在不影响其他节点的情况下完成;同时,我们不必担心“不可信”,可以说节点的存在可以真正实现量子密码术在用户之间的不可破译性和“超级安全性”。




量子网络的未来应用值得期待。但是,研究人员还需要进一步解决两个关键问题:一是量子网络必须能够与任何数量的用户进行通信;二是量子网络必须能够通过量子中继器扩大量子态的分布范围,或者利用卫星将量子比特或纠缠粒子发射到地面节点,从而实现大陆内和洲际的广泛覆盖。乔希承认他的团队还没有解决量子网络距离问题,他说他们正在努力建立一个宇宙兼容性的中心源。


责任编辑:萤莹香草钟
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