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    用量子糾纏來保密!
    來源:互聯網   發布日期:2022-08-10 06:12:03   瀏覽:7955次  

    導讀:傳統密碼學的挑戰 對許多人來說, 密碼學 似乎是一門高深的學問,它通過巧妙地轉化信息,使得信息除了對預期接收者之外的所有人都毫無意義。 事實上,在日常生活中,密碼學無處不在,從網站到各種通訊App,都需要使用密碼學或加密技術來保護信息的隱私。例如...

    用量子糾纏來保密!

    傳統密碼學的挑戰

    對許多人來說,密碼學似乎是一門高深的學問,它通過巧妙地轉化信息,使得信息除了對預期接收者之外的所有人都毫無意義。

    事實上,在日常生活中,密碼學無處不在,從網站到各種通訊App,都需要使用密碼學或加密技術來保護信息的隱私。例如,當我們在互聯網購物時,銀行卡號等敏感信息會被發送給商家。為了防止這些信息被黑客盜取,就必須在發送之前將信息“鎖”起來,而商家能擁有一把可以“解鎖”這些信息的“密鑰”。

    但一個難題是,如何才能以一種安全的方式分發密鑰,確保密鑰的共享沒有被其他人攔截?

    于上世紀70年代出現的RSA公開密鑰密碼體制,是一種至今仍被廣泛使用的安全數據傳輸系統。這種加密系統涉及一組公用的和私用的密鑰,即公鑰私鑰。私鑰是保密的、不共享的,它由算法生成的兩個大的質數組成;公鑰則是這兩個數字相乘而得的乘積。任何人都可以使用公鑰來加密信息,但只有使用私鑰才能對信息進行解密。

    RSA的正常運行依賴于一個事實:分解公鑰中的大整數以確定組成私鑰的兩個質數為何,是個耗時且需耗費極大計算量的過程。然而,當數學家Peter Shor在1994年發表了著名的Shor算法后,RSA的安全性就受到了極大的挑戰。Shor算法所描述的是,一種被稱為量子計算機的新型計算機,在理論上能夠高效地分解巨大的數字。這就意味著,一旦未來量子計算機擁有足夠多的量子比特后,RSA密碼學就注定走向衰敗。

    基于量子物理學的加密方法

    幸運的是,量子物理學不僅為破解數字商業核心的密碼系統提供了基礎,同時也為應對這個問題提供了一個可行的解決方案量子密鑰分發QKD)。與傳統密碼學的不同之處在于,QKD依賴于基本物理定律而非數學作為其安全性的關鍵保障。

    在量子物理學中,不可克隆定理是一個重要的結論,它說的是一個未知的量子態無法被可靠地克攏如果一個名為Alice的用戶通過量子(如單光子)信號分發密鑰,由于一開始密鑰只有一個副本,那么黑客是沒有辦法可靠地克隆量子態來產生同一個量子態的兩個副本的。因此,在QKD中,如果黑客試圖盜取信息,他將不可避免地對量子信號產生干擾,從而被發送方Alice和接收方Bob檢測到。

    用量子糾纏來保密!

    QKD是量子密碼學中研究最廣泛、最可行的方法,它使用一系列光子來完成一個秘密的隨機序列,即密鑰。通過比較發送方(Alice)和接收方(Bob)的測量結果,就能知道密鑰是否已被泄露。最著名的QKD方案是于1984年提出的BB84協議。在這個協議中,Alice和Bob,共享一個量子信道(例如光纖),在一個具有無限量子計算能力的黑客存在的情況下,生成一個安全密鑰。

    然而,這項技術的實現建立在一個假設之上,即用于制備和測量量子粒子的設備一般需要是無缺陷的。一些潛在的設備缺陷可能讓黑客在不被注意的情況下穿透安全系統,例如,一個設備本來應該發射一個光子,但它卻在我們不知道的情況下發射了兩個,任何類似這樣的缺陷就會使代表著安全性的數學證明難以成立。

    此外,這種方法一般要求光子源和測量設備是可信的,這就使黑客有潛在機會利用這種信任篡改系統并發現密鑰。這就好比Alice把密鑰鎖在密碼箱內,并將其交給了一個值得信賴的快遞員,由他送給Bob,但結果卻發現密碼箱內裝了竊聽器。

    為了解決這些問題,研究人員需要發展出一種與設備無關的加密方案,而這我們就需要了解量子系統的另一種特性量子糾纏。

    鬼魅般的糾纏

    1991年,量子物理學家Artur Ekert在一篇開創性的論文中,提出了基于量子糾纏的QKD方案。

    量子糾纏是量子物理學中最奇怪的現象之一,它是量子系統(或量子粒子,如光子)之間的一種神秘關聯。在糾纏粒子對中,對一個粒子的測量或作用似乎可以立即影響另一個粒子,即使兩個粒子可能相隔光年之遠。愛因斯坦將這種不受距離限制的關聯稱為“鬼魅般的超距作用”。

    用量子糾纏來保密!

    更重要的是,兩個系統之間的量子糾纏是排他的,沒有任何其他事物可以與這些系統相關。從密碼學的角度來看,這意味著發送方和接收方可以通過糾纏的量子系統,在它們之間產生共享結果,而沒有任何第三方能夠秘密獲取與這些結果有關的信息。任何竊聽行為都會留下明顯的入侵痕跡。

    在后續的研究中,科學家們意識到,基于Ekert的思想所提出的QKD方案,還具有進一步的潛力:量子糾纏可以幫助實現一種無需可靠的光子源和測量設備的方案。這種方案被稱為設備無關量子密鑰分發DIQKD)。

    與設備無關的實驗

    在DIQKD中,源設備會不斷產生糾纏的量子粒子對,Alice和Bob會各自從每對糾纏粒子中取一個。接著,Alice和Bob會在嚴格的實驗條件下獨立測量他們的粒子。

    當Alice和Bob進行測量時,一些測量會被用于創建一個共同的密鑰。由于對粒子及與其糾纏的粒子的測量結果是相關的,所以Alice和Bob可以通過對這些粒子的一系列測量,來創建一個由1和0組成的可編碼、解碼信息的字符串。

    用量子糾纏來保密!

    左:在傳統QKD方案中,Alice和Bob兩方可以創建一個密鑰來對消息進行加密和解密,但這種方法假定粒子源和測量設備是完美的。右:一種利用量子糾纏實現的與設備無關的QKD方案,Alice和Bob可以在一套嚴格的條件下對他們的糾纏粒子進行測試,以檢測源是否遭到了破壞,所以他們只需要通過“密封”實驗室來保護測量結果。

    另一些測量則用于執行一項可被用于嚴格檢測糾纏的測試。這個測試基于的是貝爾定理,該定理于1964年由約翰貝爾提出。根據貝爾定理,如果兩個粒子糾纏在一起,那么對這些粒子的測量結果必須表現出特定的統計相關性。

    在測試中,Alice和Bob使用一部分測量結果來生成密鑰,如果他們的檢測結果與預設的統計數據不符,那么他們就知道粒子不再是糾纏的,這意味著其量子信道的安全性無法得到確認。這時,他們就會放棄測量結果,并重啟這個過程。

    通過這個測試,可以保證黑客無法以任何方式篡改糾纏的粒子,因為任何篡改行為都會被檢測到。因此,DIQKD消除了系統最大的安全風險之一。Alice和Bob不再需要關于創造和分發糾纏粒子的設備信息,只需要保護好用于選擇測量結果的設備不被篡改并隔離他們的實驗室,防止結果或密鑰的信息泄露。

    但是,以現有的技術,想要在實驗中實現DIQKD是非常具有挑戰的。尤其是,當實驗使用的量子粒子是光子時,由傳輸和探測而導致的光子效率損失會成為一個關鍵問題。雖然過去有些研究已經出色地進行了無探測漏洞的實驗,但若要真的實現DIQKD,還需要更高的效率(90%以上)。盡管最近已有相關研究在降低所需的效率方面取得理論性的進展,但用于實際操作的實用協議仍然難以實現。

    7月27日,以“編輯推薦”的形式發表于《物理評論快報》的一篇最新研究中,中國科學技術大學常務副校長、中科院院士、“科學探索獎”發起人之一潘建偉,中國科學技術大學教授、2021年“科學探索獎”數學物理學領域獲獎人徐飛虎,及其同事張強等,通過發展設備無關理論協議和構建高效率的光學量子糾纏系統,首次在國際上通過實驗實現了DIQKD的原理性演示。美國物理學會Physics網站、《自然》雜志、Quanta Magazine等分別邀請國際專家進行專題報道或評述。

    在理論方面,他們提出了一個可以將裝置的效率閾值降低到86%左右的協議。通過在實驗測量結果中隨機添加噪聲,他們將其中包含少量關聯信息但擁有較大錯誤的結果剔除,從而實現效率閾值的降低。在實驗方面,他們研制了一種糾纏光子源,其效率為87.5%,超過了過去相關研究中的數值。

    通過理論與實驗上的突破,潘建偉團隊實現了基于偏振的糾纏光子DIQKD。結合理論進展,研究人員進行了一項光纖長度達220米的DIQKD實驗。實驗結果表明,他們測量到的相關性足夠強,足以確保生成密鑰。

    三個實驗的對比

    與此同時,兩篇國際同行基于離子和原子的相關工作在《自然》雜志上發表,來自英國和德國的兩個獨立研究團隊報道了他們利用相似的理論概念,實現了DIQKD的實驗性演示。

    雖然三項實驗采用了相似的DIQKD方法,但它們的實驗細節存在顯著差異。

    首先,三個研究團隊選擇的糾纏粒子是不一樣的,每種粒子都有各自的優勢,比如使用原子和離子會使研究人員更容易追蹤到。其次,三項實驗中,Alice和Bob的距離也都不同(都遠小于一千米),實驗表明,粒子在兩個觀測站的糾纏率會隨著它們之間距離的增加而顯著下降。此外,三個實驗的密鑰完成度也不一致,中國團隊雖然沒有在有限碼長條件下生成密鑰,但一旦探測效率有所提高,他們的系統應該只需幾分鐘的時長就可生成密鑰。

    用量子糾纏來保密!

    目前,要使DIQKD成為一項實用的加密技術還需克服許多挑戰,例如需要克服遠距離的障礙,以及找到能夠更快地生成密鑰的方法?紤]到這些挑戰,商用的DIQKD加密工具應該還有很長一段路要走。

    即便如此,這仍是非常有價值的一次突破。這些實驗表明,即使使用的是不完美的設備,也仍然可以生成安全的密鑰,F在,世界各地都在努力建立各種糾纏量子網絡,希望最終將能支持這些與設備無關的加密協議。

    #創作團隊:

    撰文:微信公眾號《原理》

    #參考來源:

    https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.92.025002

    #圖片來源:

    封面圖 & 首圖:Scixel / Enrique Sahagú via ETH

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