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量子加密新技术,彻底杜绝隔墙耳

编辑的话:本文作者@直着爬的螃蟹 ,就是在美国麻省理工学院实现这种量子加密新技术的博士后张哲珅本人。传统的量子加密技术,能够检验加密信息在传输过程中是否被人窃听,但如果窃听真的发生,也无法阻止窃听者获取信息。相反,本文作者提出的这种新技术,能够从根本上杜绝窃听者获得任何有用信息,因为他们能够听到的只有噪声。从这个角度上来说,这种新技术才是真正的量子加密术。

夏皮罗教授(左),黄毅铨教授(右)和张哲珅博士正在讨论实验。图片来源:张哲珅

你不可能了解一件事物而不改变它——这就是量子物理的基本哲学。好比有一碗水放在你面前,当你舀了一小勺送到自己嘴里想试试冷热时,这碗水就已经不是先前那碗了。对于一个微观的粒子,观测的结果既有一定的随机性,观测行为本身又会破坏粒子原来的状态,让你永远不可能知道粒子本来的状态是什么——这就是量子不可克隆原理:你不能够复制一个未知的量子态,而不改变量子态本身。

量子不可克隆原理是量子加密的基础。如果我们把想要保密传输的信息,加载到一个个不可能被准确观测和复制的量子态上,而任何的窃听行为都会改变原本传输的数据。那么最后我们取一部分数据出来,检查原本传输的信息是否被破坏,就能够检测到窃听者是否存在。

量子加密通常的信息载体是光子,也就是组成光的基本粒子。我们把一个比特的信息加载在一个光子上,然后把光子一个个发出去。接收方在所有收到的光子中取出一部分,跟原本发送的信息比较。如果准确无误,就说明没有窃听者存在,信息传输是安全的。但单个的光子是如此脆弱,非常容易就会湮没在茫茫“取经路”上。通常而言,从“东土大唐”出发的一百个光子,只有一个光子能取得真经,因此传统量子加密的效率是极低的。

在美国麻省理工学院,由杰弗里·夏皮罗(Jeffrey Shapiro)和黄毅铨(Franco Wong)教授领导的量子和光通信小组中,中国博士后张哲珅完成了一项实验,实现了一种全新的量子加密方案,成功解决了这个困扰科学界很久的问题。实验结果近期将发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。这种新的量子加密方案的核心,是利用一种神秘的量子现象——纠缠,来加密信息。

利用纠缠可以做到很多经典物理无法完成的事情,其中最令人匪夷所思的,莫过于量子态的瞬间移动(quantum teleportation)——在纠缠的协助下,一个量子态可以瞬间在上海消失,而在北京重新出现。

纠缠是一种诡异的超距离相互关联的现象:两个纠缠在一起的粒子,即使被完全隔离,当观测一个粒子的状态时,另一个粒子的状态也会发生瞬时的改变。换言之,两个粒子的量子状态是完全关联的。关联性并不是一个新鲜的名词。如果我们把两枚硬币同方向黏在一起,每次投掷的时候,对于其中任何一枚硬币而言,正面朝上或者反面朝上都是随机的——但如果我们发现一枚硬币是正面朝上,另一枚硬币也一定是正面朝上,反之亦然。

量子物理让人最不可思议的地方在于,事物的状态并不是唯一确定的。对于宏观的硬币而言,只可能存在两种状态:正面朝上或是反面朝上。但对于一枚量子硬币,它可以既是正面朝上又是反面朝上。对于两枚纠缠在一起的量子硬币,如果发现其中一枚是正面朝上,另一枚也一定是正面朝上;当发现一枚是反面朝上,另一枚也一定是反面朝上;如果发现一枚既是正面朝上又是反面朝上,另外一枚也一定既是正面朝上又是反面朝上。因此,纠缠所包含的关联性,要比我们通常理解的宏观上的关联性强得多。

但纠缠又非常脆弱,环境的噪声能够轻易破坏原本存在的强大的量子关联。人们确信,纠缠一旦被破坏,便会变得一无用处。然而,张哲珅在麻省理工学院完成的实验,彻底颠覆了这种“确信”。

为了达到量子加密的目的,甲方首先产生许多纠缠在一起的光子。然后他把纠缠光子中的一端发给乙方,而自己保留另一端。乙方收到甲方发来的光子,先把保密的信息写进光子中,然后通过一个光放大器把信号放大一万倍。然而,由于量子态是不能被克隆的,而信号放大的本质和克隆相同,因此也就不存在理想的放大器——任何放大器都会引入一定的噪声,使得原本的状态被破坏。

量子加密系统中的量子解码器。纠缠的两端相互作用,在这个过程中,加密的信号就会从巨大的背景噪声中显现出来。图片来源:张哲珅

在张哲珅的实验中,每一个被放大的信号光子都会伴随着一千万个完全不相关的噪声光子。这些噪声光子把原本的纠缠态完全破坏。乙方再把包含巨大噪声的信号发还给甲方。甲方把乙方送回的信号跟自己保存的纠缠光子的另一端进行作用,乙方写进光子的保密信号就会神奇地显现出来。而窃听者看到的,仅仅是从乙方发来的巨大噪声。

甲方之所以能够从噪声中恢复乙方写入的信号,就是利用了纠缠的关联性——即使最后纠缠被完全破坏了,残留的关联性仍然能够战胜巨大的噪声。由于窃听者并不拥有纠缠的另一端,因此是无法解码的。

另一方面,光放大器也让原本微弱的信号幅度大大增强,从而使得传输损耗得到了弥补——每一个比特的保密信息都能从乙方抵达甲方并成功解码,使得传输效率得到了很大的增强。这也让量子加密通讯有望走出实验室,进入真正实用的领域。

对于研究结果,夏皮罗教授觉得既在意料之外也在情理之中:“早在2009年,我们在理论研究上就发现纠缠即使被完全破坏,其残留的关联性也比经典条件下大出几个数量级。我们提出纠缠的这种特殊性质可以利用在量子加密中,并发表了相关的理论研究论文。这个理论结果在当时看来跟传统的观念背道而驰。现在的实验结果验证了理论的预言,改变了人们对于量子理论的认识。”

黄毅铨教授则认为:“利用纠缠进行量子加密仅仅是纠缠的巨大用途之一。我们实验室正在把纠缠的这种特殊性质应用到微弱信号探测、成像、量子雷达等诸多领域。纠缠的潜力正在被我们一步一步被挖掘出来。”

进一步看来,这个实验的巨大意义在于,揭示了量子技术比原先想象的强大得多,可利用空间也比原先预料大的多。或许在将来的某一天,我们走进瞬间移动的盒子,只要输入目标坐标,就能出现在想去的地方。

 

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信息来源:作者供稿 

The End

发布于2013-05-22, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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直着爬的螃蟹

麻省理工量子通信博士后

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