堵上这个漏洞,量子通信从此万无一失

罗马人有一个赞扬人可靠的说法:「你能在黑暗中信任他。」但是正如恺撒在被他的核心集团成员刺杀时意识到的,有时候最好的策略是不要相信任何人

但是今年早些时候,Wehner和她的同事最终实现了一个无漏洞的贝尔测试 (这项工作发表在了Nature杂志上)。他们利用的核心思想叫做纠缠交换(entanglement swapping)。Delft团队将两颗钻石放置在相距1.3公里的位置。想象一下我们上文提到的Alice守着一颗钻石,而BOB守着另一颗。每颗钻石都有一个叫做氮空位中心(nitrogen vacancy centre)的缺陷。用微波脉冲轰击氮空位中心的电子会产生一个与该电子纠缠的光子。在他们设计的实验中两个脉冲几乎同时分别击向两颗钻石,各自释放的光子射向中间的一个探测器。接下来就是一个聪明绝顶的环节,如果两边的光子同时到达中间的探测器,那么纠缠态就从各自的光子-电子组合中转换到两个电子之间。现在Bob和Alice就有了一对不曾游离出去的纠缠态电子。(请看下方的“安全保障原理图”)
由于电子比光子更容易探测,这个实验轻易地补上了探测漏洞。并且,由于电子相聚太过遥远,研究者有一个4微秒的窗口,可以用来测量它们的关系——对21世纪的物理学来说,这个时间足够长了——并且证明任何可能改变它们关系的物理信号都必须超光速。由于这是广义相对论所不允许的,定域性漏洞也就被堵上了。
层层包裹之下
多亏了这种独创性,粒子相关性终于通过了贝尔测试,而且我们知道它们并不是由于探测失误而产生的,也不是因为通讯漏洞。Wehner的同事、领导了该项研究的Bas Henson说:「这感觉太棒了。」最终,我们终于堵上了漏洞。量子理论通过了测试。我们知道,它可以用来创造一个可证明为安全的密码系统。
不过,依然存在一些未被抚平的褶皱——早已桎梏密码学家多年的那些老家伙。比如说,你的敌人可能会破窗而入,溜进你的办公室,偷走你的钥匙。Mosca说:「物理安全永远是一个问题。如果我能够进入你的实验室,看到文本,那我根本不需要破译你的密码。」Makarov提出了另一个警告:密钥分配可能是独立于设备的,但是系统的其他部分有可能被攻破。「你必须相信,终端站的所有部分都不包含任何恶意的成分。」
刨除这些终极的问题,我们已经到达了完善安全之路的尽头。从理论证据到实际应用还需要一定的时间:现在,如何实施这套技术依然是一个艰难的工作。 Delft大学的研究团队在9天时间内得到了245对量子纠缠——对产生密钥所需要的几千个数字来说,这个效率还是太低了。但是,进展正在发生。Henson说:「我们期待在不远的未来能够以快上10万倍的速度产生纠缠态。」
测量设备无关的量子密码学是终极的保密手段。它终于出现在我们触手可及的地方。量子部分提供了不可破解的方案;对测量设备的无关性保证了供应商无法实施干扰。Mosca说:「就物理安全性而言,这是最好的。」 Ekert同意这个观点:贝尔测试的常规程序很简单,任何人都可以使用。「你甚至不用理解物理学。」
(【转自机器之心】选自新科学家,作者Michael Brooks,图片Jamie Mills,机器之心编译出品。参与人员:Chen Duo,Xuechen,20e,汪汪,Bing Wu。


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