量子互联网的新突破：黑客可能将成为历史

北京时间 9 月 8 日消息，新冠疫情期间，全世界有大量的人都只能在家工作，许多人也更加意识到，通过互联网发送敏感信息存在着许多安全风险。信息科学家所能提出的最好方法，就是尽可能地让你的信息很难被拦截（或者被黑掉）——尽管目前来看还不可能。

我们需要的是一种新型的互联网：量子互联网。在这个新的全球网络中，数据是安全的，连接是隐私的，对信息被拦截的担忧将成为过去。

近日，英国布里斯托尔大学的量子通信研究者 Siddarth Koduru Joshi 和同事在《科学 - 进展》（Science Advances）杂志上发表了一项突破性进展，指出可以利用现有的通信基础设施，扩展量子互联网背后的概念，从而使量子互联网成为可能。

目前保护在线数据的方法是使用数学问题进行加密，如果你有一把解锁的数字 “钥匙”，就可以很容易解开数学问题，从而破解密码；如果没有这把 “钥匙”的话，密码就很难破解。然而，很难并不意味着不可能，只要有足够的时间和计算能力，今天的加密方法都是可以破解。

相比之下，量子通信使用光的单个粒子（光子）来创建密钥，而根据量子物理学原理，你不可能制造出精确的密钥副本。复制这些密钥的任何尝试都将不可避免地导致可被检测的错误。这意味着，无论黑客多么聪明、多么强大，也无论他们拥有什么样的超级计算机，都无法复制量子密钥或读取加密的信息。

这一概念已经在卫星和光纤电缆上得到验证，并被用于在不同国家之间发送安全信息。那么，为什么我们还没有在日常生活中使用它呢？答案是，实现这一概念需要昂贵的专门技术，意味着目前还无法扩展。

以往的量子通信技术就像成对的儿童对讲机。每一对想要安全通信的用户都需要一对手机。因此，如果 3 个孩子想要相互交谈，他们就需要 3 对手机（或 6 个对讲机），每个孩子必须有两对。如果 8 个孩子想要互相交谈，他们就需要 56 个对讲机。

显然，对于那些想要通过互联网进行交流的人来说，为每个人或每个网站配备单独的设备是不现实的。因此，Siddarth Koduru Joshi 等人想出了一种方法，让每个用户只用一台设备就可以安全地连接，这更像电话而不是对讲机。

为了共享量子密钥并确保通信安全，每个对讲机都起着发射器和接收器的作用。在 Siddarth Koduru Joshi 等人的模型中，用户只需要一个接收器，因为他们可以从中央发射器获得光子来生成密钥。

这是有可能的，因为量子物理学还有另一个原理——纠缠。一个光子不能被精确复制，但它可以与另一个光子纠缠在一起，这样无论它们相距多远，它们的行为在被测量时都是一样的——这就是阿尔伯特 · 爱因斯坦所说的 “鬼魅般的远距作用”。

完整的网络

当两个用户想要通信时，中央发射器就会发送一对纠缠的光子，每个用户一个光子。然后，用户的设备对这些光子进行一系列测量，从而创建一个共享的量子密钥。然后他们可以用这个密钥加密他们的信息，并安全地进行传送。

利用多路复用（multiplexing，一种常用的通信技术），我们可以将这些纠缠的光子对有效地同时发送给多个组合的人。我们还可以向每个用户发送许多信号，而这些信号可以同时被解码。通过这种方式，对讲机被有效地换成了一种更类似于多参与者视频通话的系统，在这种系统中，你可以私下、独立地与每个用户进行通信，也可以同时通信。

到目前为止，Siddarth Koduru Joshi 等人通过连接一个城市的 8 个用户，建立了一个这样的网络，对量子网络的概念进行了测试。他们正在努力提高网络的速度，并将多个这样的网络互连起来。已经有合作者开始使用他们的量子网络作为测试平台，对量子通信以外的几个应用进行测试。

Siddarth Koduru Joshi 等人也希望在未来几年内与商业伙伴在此技术基础上开发出更好的量子网络。通过这样的创新，他们希望能在未来十年见证量子互联网的兴起。

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