量子密码学 | 让黑客一无所用

互联网充满了高度敏感的数据。一般而言，复杂的加密技术保证信息不会被截获和读取。然而，在未来，高性能量子计算机可以在几秒钟内破解这些密钥。将量子力学原理用于密码学目的的科学被称为量子密码学。因此幸运的是，量子力学方法不仅提供了新的、更快的算法，而且还提供了非常有效的密码学。

正如行话所说，量子密钥分发 (QKD) 可以安全地抵御对通信通道的攻击，但不能抵御对设备本身的攻击或操纵。结果，这些设备可能会输出制造商先前保存的密钥，并且可能已传递给黑客。与设备无关的 QKD则不同。加密协议不受设备影响。自 1990 年代以来，这项技术在理论上就已为人所知，但它只是由慕尼黑路德维希马克西米利安大学（Ludwig Maximilian University of Munich ）物理学家 Harald Weinfurter 和新加坡国立大学 (National University of Singapore ，NUS) 的Charles Lim 领导的国际研究团队进行实验性实施。

交换量子机械密钥的方法有很多。发射器将光信号发送到接收器，或者采用纠缠量子系统。在当前的实验中，科学家们在 LMU 校园内相距 400 米的两个实验室中使用了两个量子机械纠缠的铷原子。这两个设施由一条 700 米长的光缆连接，该光缆在主楼前的 Geschwister Scholl 广场下方运行。

为了产生纠缠，科学家们首先用激光脉冲刺激每个原子。在此之后，原子自发地回到它们的基态，每个都释放一个光子。由于角动量守恒，原子的自旋与其发射光子的极化纠缠在一起。两个光粒子通过光纤电缆到达接收站，在那里对光子的组合测量揭示了原子量子记忆纠缠。

为了交换密钥，Alice 和 Bob——这两方通常被密码学家称为——测量他们各自原子的量子态。在每种情况下，这都是在两个或四个方向上随机完成的。如果方向一致，则测量结果由于纠缠而相同，可用于生成密钥。使用其他测量结果，可以评估所谓的贝尔不等式。物理学家John Stewart Bell 最初开发这些不等式是为了测试是否可以用隐藏变量来描述自然。

“事实证明它不能，”Weinfurter 说。

在 DIQKD 中，该测试“专门用于确保设备没有任何操作——也就是说，例如，隐藏的测量结果没有事先保存在设备中，”Weinfurter 解释说。

与早期的方法相比，由 NUS 研究人员开发的实施协议使用两种测量设置来生成密钥，而不是一个：“通过引入密钥生成的附加设置，拦截信息变得更加困难，因此即使对于质量较低的纠缠状态，协议也可以容忍更多的噪音并生成密钥，”Charles Lim 说。

相比之下，使用传统的 QKD 方法，只有在所使用的量子设备已经充分表征时，才能保证安全性。“因此，此类协议的用户必须依赖 QKD 提供商提供的规范，并相信设备在密钥分发期间不会切换到另一种操作模式，”该协议的四位主要作者之一 Tim van Leent 解释说，“至少十年前人们就知道，旧的 QKD 设备很容易从外部被黑客入侵。”

“使用我们的方法，我们现在可以使用未表征且可能不可信的设备生成密钥，”Weinfurter 解释说。

事实上，他最初对这个实验能否奏效表示怀疑。但正如他高兴地承认的那样，他的团队证明了他的疑虑是没有根据的，并且显著提高了实验的质量。除了 LMU 和 NUS 之间的合作项目，牛津大学的另一个研究小组展示了与设备无关的密钥分发。为此，研究人员在同一个实验室中使用了一个包含两个纠缠离子的系统。

“这两个项目为未来的量子网络奠定了基础，在这种网络中，遥远的地点之间可以进行绝对安全的通信，”Charles Lim 说。

下一个目标之一是扩展系统以包含几个纠缠原子对。“这将允许产生更多的纠缠态，从而提高数据速率并最终提高密钥安全性，”van Leent 说。

此外，研究人员希望扩大范围。在目前的设置中，它受到实验室之间光纤中大约一半光子损失的限制。在其他实验中，研究人员能够将光子的波长转换为适合电信的低损耗区域。这样，只需要一点额外的噪音，他们就设法将量子网络连接的范围扩大到 33 公里。