量子通信新方案：有望實現大規模安全量子網路！
導讀
英國倫敦大學學院（UCL）領導的科學家團隊開發出一種新方法，它可以實現多個量子設備之間的安全通信，進一步推進大規模、不可破解的量子網路走向現實。
背景
當今時代，信息安全的重要性都越來越突出。為了保證信息安全，從技術角度來說，一般都是採用加密。在傳統密碼學中，信息的發送者和接收者預先決定加密代碼：密鑰，只有密鑰才可以解密加密信息。
但是，隨著計算機技術發展，特別是超級計算機和量子計算機的出現，計算的速度和能力都達到了前所未有的規模，因此加密信息很容易遭到攻擊和破解。
然而，與傳統的演算法加密方式不同，採用量子物理的基本法則保護數據信息安全，能夠讓數據對於黑客攻擊「完全免疫」。「量子加密」是指通過量子技術傳輸密鑰，在這一過程中，一般都是通過量子力學隨機生成一個密鑰。發送者A，通過極化光子，在不同方向上發送密鑰；接收者B，通過量子探測器接受密鑰。
量子加密的優點是：如果攻擊者嘗試攔截A或者B的信息，由於量子力學特性，密鑰本身會發生變化，即發生了不可逆轉的改變。所以任何攻擊者的攻擊行為都很容易被發送者或接收者察覺。因此，原則上，量子加密技術可以實現無法破解的秘鑰。
下面，分享幾個筆者介紹過的有關量子加密的創新案例。
1）英國牛津大學的研究人員開發了一種新型量子加密系統，該系統不僅具有高度安全性和數據傳輸率，且有望小型化後應用於移動設備。它讓手持設備和終端設備進行通信時，發送的密鑰「牢不可破」。
（圖片來源：牛津大學）
2）西班牙科學家利用光子集成電路技術，創建出量子數字隨機發生器，應用於數據加密和複雜計算。它具有體積小，速度快，易集成等優點，並有望將量子加密技術推向商用。
3）俄羅斯聖彼得堡國立信息技術機械與光學大學（ITMO University）開發出一種構建加密數據交換的量子通信系統的新方法。該設備能夠在250千米或者更遠距離下傳輸單光子量子信號。
（圖片來源：ITMO ）
4）加拿大渥太華大學的科研人員通過自由空間光網路，在兩座相距0.3千米的建築之間，演示了四維量子加密。這次成功的實驗表明，未來使用高容量、自由空間的量子通信，創建地基網路和衛星之間的安全通信鏈接將成為現實。
（圖片來源：SQO團隊，渥太華大學）
創新
英國倫敦大學學院（UCL）領導的科學家團隊開發出一種新方法，它可以實現多個量子設備之間的安全通信，進一步推進大規模、不可破解的量子網路走向現實。
這項研究由UCL、牛津大學、愛丁堡大學的科學家們合作開展，受到工程和物理科學研究委員會贊助。研究論文發表於《物理評論快報（Physical Review Letters）》雜誌，詳細闡述了一種用於三個或更多的量子設備之間的新型安全通信方式，而不用考慮是誰構建了它們。UCL物理和天文學系的 Ciarán Lee
博士是論文的領導作者。
技術
研究人員稱，到目前為止，量子網路通信只能發生於通過安全方式構建的已知出處的兩個設備之間。
歐盟和英國分別承諾10億歐元和2.7億英鎊以資助量子技術研究。這項競賽旨在開發出首個位於城市之間真正安全、大規模的網路，並可以適用於任何量子設備。
牛津大學的Matty Hoban 博士（之前在愛丁堡大學）表示：「我們的方案可以工作在普通網路上。在普通網路中，你無需信任設備的製造商或者依賴網路保障安全。我們的方案只需要採用特定的網路結構，就可以限制偷聽者可以學到的東西。」
保證完美安全性的量子物理定律的理論承諾，與大型網路中實際實現這樣的安全性之間存在著差距，而該方案縮小了這一差距。
在應用於整個網路的通信中之前，量子設備安全性得到了測試。這種測試旨在檢查網路中設備之間的關聯本質上是否是量子的，而且無法通過其他方式創建。
這些關聯用於建立起加密任何通信的密鑰。安全性通過唯一性來保障的，而唯一性是指量子關聯只能在創建它們的設備之間分享，從而保證了沒有黑客可以學習到這種密鑰。
團隊採用了兩種方法：機器學習和因果推理，開發應用於這種不可破解的通信系統的測試方法。這種方案分配的密鑰無法被有效攔截，因為通過量子力學原理，它們的安全性可以得到測試和保障。
價值
Lee 博士總結道：「我們的研究被認為是創建了一種軟體，它可以運行在目前創建的硬體上，釋放出量子通信的潛能。在未來工作中，我們要和英國國家量子技術計劃的合作夥伴一起，進一步推進這項研究。我們希望在未來幾年中試驗我們的量子網路方案。」
團隊承認，這種不可破解的網路也會像現有的網路一樣，被不恰當的使用，但是也重點強調了它的好處就是能夠保證隱私。
關鍵字
量子技術、通信、安全
參考資料
【1】http://www.ucl.ac.uk/news/news-articles/0118/110118-unhackable-quantum-net
【2】Ciarán M. Lee, Matty J. Hoban. Towards Device-Independent Information Processing on General Quantum Networks. Physical Review Letters, 2018; 120 (2) DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.020504
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