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眾所周知，我們現(xiàn)階段使用的網(wǎng)絡(luò)正成為黑客的“游樂場(chǎng)”，從不安全的通信線路到未受到充分監(jiān)督的云端數(shù)據(jù)庫，網(wǎng)絡(luò)中的漏洞無處不在。

而物理學(xué)家正加緊研究的量子網(wǎng)絡(luò)中，信息將在量子世界中被創(chuàng)造、存儲(chǔ)和傳輸：傳統(tǒng)信息通過值為0或1的二進(jìn)制數(shù)字進(jìn)行處理，相比之下，量子信息則利用了可以由0與1進(jìn)行疊加的量子比特，因而可以在光子的偏振狀態(tài)或電子與原子核的自旋狀態(tài)下被編碼，更復(fù)雜的編碼使得量子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)得以提供用戶更高級(jí)別的私密性、安全性和計(jì)算能力。

近期，英國布里斯托大學(xué)的物理學(xué)家喬希及其團(tuán)隊(duì)成功在布里斯托城建立了城市范圍的“超安全量子網(wǎng)絡(luò)”，該網(wǎng)絡(luò)可以連接城市17公里范圍內(nèi)的超過八個(gè)用戶，將通過促進(jìn)實(shí)現(xiàn)多用戶之間量子密碼的應(yīng)用，保障量子互聯(lián)網(wǎng)的安全。因此，這一實(shí)驗(yàn)被視為全量子互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)路上的又一里程碑。

過去：極復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)鏈路

“量子密碼術(shù)”包括重要的“量子密鑰分配”(QKD)過程，即利用量子力學(xué)原理創(chuàng)造用于編碼和解碼的私人密鑰。在以往的“量子密鑰分配”協(xié)議中，通常是兩個(gè)用戶在信息的分享與交換中對(duì)兩者間的一些測(cè)量結(jié)果達(dá)成共識(shí)，關(guān)鍵之處在于這些結(jié)果是不公開的，兩個(gè)用戶可以通過利用這些結(jié)果在公用鏈路中建立可以編碼和解碼信息的私人密鑰。

然而，若想擴(kuò)大規(guī)模，讓其他用戶加入網(wǎng)絡(luò)，以往協(xié)議的方法就將面臨很大困難。

其中一種思路是現(xiàn)有用戶中的一者與新用戶建立安全鏈路，另一者經(jīng)由前者將信息傳遞給新用戶來實(shí)現(xiàn)與新用戶的聯(lián)系，然而這個(gè)過程需建立在后者信任前者的基礎(chǔ)之上，如其中存在“不可信”的不安全節(jié)點(diǎn)，如此一來量子網(wǎng)絡(luò)安全保密的優(yōu)勢(shì)也就不復(fù)存在了。

由此，為避免對(duì)現(xiàn)有用戶的影響，只能通過添加用戶節(jié)點(diǎn)，在新用戶與兩個(gè)現(xiàn)有用戶建立鏈路。如此，按照排列組合原則，含有2個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)需要1條鏈路，含有3個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)需要3條鏈路，含有8個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)就需要28條鏈路……這將使加入新用戶的成本和復(fù)雜程度大幅增加。

現(xiàn)在：超安全的量子密鑰

在近日設(shè)計(jì)的“超安全量子網(wǎng)絡(luò)”中，喬希及其團(tuán)隊(duì)使用了另一種QKD協(xié)議，通過在任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間共享糾纏粒子，建設(shè)了一種不同的網(wǎng)絡(luò)，從而解決了這些問題。在該協(xié)議中，他們利用多對(duì)糾纏光子建立了一種私人密鑰。兩個(gè)用戶中只需其中一對(duì)光子中的一個(gè)，便可分別通過個(gè)人的粒子隨機(jī)執(zhí)行一種特定的測(cè)量，而由于光子糾纏的緣故，兩個(gè)用戶只要進(jìn)行相同的測(cè)量便可得到一致的結(jié)果，從而在公用鏈路中分享他們成對(duì)粒子的測(cè)量序列并選擇共同的結(jié)果，以形成一個(gè)不對(duì)其他用戶公開的私人密鑰。

這樣，研究人員便不再需要在八個(gè)節(jié)點(diǎn)之間分別建立物理聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)，而只需建立一個(gè)將糾纏光子傳輸給八個(gè)節(jié)點(diǎn)的中心源，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只通過一根光導(dǎo)纖維與中心源相連，建立起八條鏈路，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)QKD建立28條鏈路的思路。因此，即使每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間沒有物理聯(lián)系，研究人員設(shè)計(jì)的新QKD協(xié)議仍在每對(duì)節(jié)點(diǎn)之間搭建起了依靠量子糾纏形成私人密鑰的虛擬鏈路，使其相互連通。如此，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)便可在一定時(shí)間階段共享糾纏光子并形成強(qiáng)相關(guān)，從而形成兩個(gè)用戶之間的私人密鑰。

未來：更大范圍的網(wǎng)絡(luò)覆蓋

對(duì)于量子網(wǎng)絡(luò)的研究一直受到物理學(xué)家的廣泛重視。早在2019年年初，研究人員已將利用鉆石和水晶中的瑕疵幫助光子實(shí)現(xiàn)變色、使用無人機(jī)充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等一系列奇異的材料和方法投入量子領(lǐng)域研究。許多研究人員表示，量子網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的第一階段將是通過利用標(biāo)準(zhǔn)光纖連接50到100公里間的至少三個(gè)小型量子設(shè)備。而據(jù)歐洲量子互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟一研究人員預(yù)測(cè)，這一網(wǎng)絡(luò)的建立需要5年時(shí)間。對(duì)于這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，近日“超安全量子網(wǎng)絡(luò)”的建立無疑是重要而具有里程碑意義的。

這項(xiàng)研究成果在量子網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用與發(fā)展領(lǐng)域都有著深遠(yuǎn)影響：中心源的建立使得添加新的用戶節(jié)點(diǎn)更為簡(jiǎn)便，只要通過對(duì)中心源的“信道分流和多路復(fù)用”方案進(jìn)行修改，并將新節(jié)點(diǎn)與之相連，就能在不影響其他節(jié)點(diǎn)的情況下完成;同時(shí)也無須擔(dān)心“不可信”節(jié)點(diǎn)的存在，可以說真正實(shí)現(xiàn)了用戶間量子密碼的不可破解與“超安全”性。

量子網(wǎng)絡(luò)的未來應(yīng)用值得期待，然而研究人員還需進(jìn)一步解決兩項(xiàng)關(guān)鍵問題：其一，量子網(wǎng)絡(luò)須與任意大量用戶互相聯(lián)系;其二，該量子網(wǎng)絡(luò)須能通過量子中繼器增大量子狀態(tài)的分布范圍，或使用衛(wèi)星發(fā)射量子比特或糾纏粒子到地面的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)洲內(nèi)、洲際的大范圍覆蓋。喬希承認(rèn)其團(tuán)隊(duì)尚未解決量子網(wǎng)絡(luò)距離問題，對(duì)此，他表示他們正努力建造一個(gè)宇宙兼容的中心源。(實(shí)習(xí)記者 張佳欣 實(shí)習(xí)生 高行健　)

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