英布里斯託城迎來“超安全量子網絡”

眾所周知，我們現階段使用的網絡正成為黑客的“遊樂場”，從不安全的通信線路到未受到充分監督的雲端數據庫，網絡中的漏洞無處不在。

而物理學家正加緊研究的量子網絡中，信息將在量子世界中被創造、存儲和傳輸：傳統信息通過值為0或1的二進制數字進行處理，相比之下，量子信息則利用了可以由0與1進行疊加的量子比特，因而可以在光子的偏振狀態或電子與原子核的自旋狀態下被編碼，更復雜的編碼使得量子網絡系統得以提供用户更高級別的私密性、安全性和計算能力。

近期，英國布里斯托大學的物理學家喬希及其團隊成功在布里斯托城建立了城市範圍的“超安全量子網絡”，該網絡可以連接城市17公里範圍內的超過八個用户，將通過促進實現多用户之間量子密碼的應用，保障量子互聯網的安全。因此，這一實驗被視為全量子互聯網建設路上的又一里程碑。

過去：極複雜的網絡鏈路

“量子密碼術”包括重要的“量子密鑰分配”（QKD）過程，即利用量子力學原理創造用於編碼和解碼的私人密鑰。在以往的“量子密鑰分配”協議中，通常是兩個用户在信息的分享與交換中對兩者間的一些測量結果達成共識，關鍵之處在於這些結果是不公開的，兩個用户可以通過利用這些結果在公用鏈路中建立可以編碼和解碼信息的私人密鑰。

然而，若想擴大規模，讓其他用户加入網絡，以往協議的方法就將面臨很大困難。

其中一種思路是現有用户中的一者與新用户建立安全鏈路，另一者經由前者將信息傳遞給新用户來實現與新用户的聯繫，然而這個過程需建立在後者信任前者的基礎之上，如其中存在“不可信”的不安全節點，如此一來量子網絡安全保密的優勢也就不復存在了。

由此，為避免對現有用户的影響，只能通過添加用户節點，在新用户與兩個現有用户建立鏈路。如此，按照排列組合原則，含有2個節點的網絡需要1條鏈路，含有3個節點的網絡需要3條鏈路，含有8個節點的網絡就需要28條鏈路……這將使加入新用户的成本和複雜程度大幅增加。

現在：超安全的量子密鑰

在近日設計的“超安全量子網絡”中，喬希及其團隊使用了另一種QKD協議，通過在任意兩個節點之間共享糾纏粒子，建設了一種不同的網絡，從而解決了這些問題。在該協議中，他們利用多對糾纏光子建立了一種私人密鑰。兩個用户中只需其中一對光子中的一個，便可分別通過個人的粒子隨機執行一種特定的測量，而由於光子糾纏的緣故，兩個用户只要進行相同的測量便可得到一致的結果，從而在公用鏈路中分享他們成對粒子的測量序列並選擇共同的結果，以形成一個不對其他用户公開的私人密鑰。

這樣，研究人員便不再需要在八個節點之間分別建立物理聯繫的網絡，而只需建立一個將糾纏光子傳輸給八個節點的中心源，每個節點只通過一根光導纖維與中心源相連，建立起八條鏈路，遠優於傳統QKD建立28條鏈路的思路。因此，即使每個節點之間沒有物理聯繫，研究人員設計的新QKD協議仍在每對節點之間搭建起了依靠量子糾纏形成私人密鑰的虛擬鏈路，使其相互連通。如此，兩個節點便可在一定時間階段共享糾纏光子並形成強相關，從而形成兩個用户之間的私人密鑰。

未來：更大範圍的網絡覆蓋

對於量子網絡的研究一直受到物理學家的廣泛重視。早在2019年年初，研究人員已將利用鑽石和水晶中的瑕疵幫助光子實現變色、使用無人機充當網絡節點等一系列奇異的材料和方法投入量子領域研究。許多研究人員表示，量子網絡發展的第一階段將是通過利用標準光纖連接50到100公里間的至少三個小型量子設備。而據歐洲量子互聯網聯盟一研究人員預測，這一網絡的建立需要5年時間。對於這一目標的實現，近日“超安全量子網絡”的建立無疑是重要而具有里程碑意義的。

這項研究成果在量子網絡的應用與發展領域都有着深遠影響：中心源的建立使得添加新的用户節點更為簡便，只要通過對中心源的“信道分流和多路複用”方案進行修改，並將新節點與之相連，就能在不影響其他節點的情況下完成；同時也無須擔心“不可信”節點的存在，可以説真正實現了用户間量子密碼的不可破解與“超安全”性。

量子網絡的未來應用值得期待，然而研究人員還需進一步解決兩項關鍵問題：其一，量子網絡須與任意大量用户互相聯繫；其二，該量子網絡須能通過量子中繼器增大量子狀態的分佈範圍，或使用衞星發射量子比特或糾纏粒子到地面的節點，實現洲內、洲際的大範圍覆蓋。喬希承認其團隊尚未解決量子網絡距離問題，對此，他表示他們正努力建造一個宇宙兼容的中心源。