什么是量子通讯?量子互联网是如何运作的?

时间:2020-11-28 09:41:41   作者:
什么是量子通讯?

研究人员和公司正在创造超安全的通信网络,这可能成为量子互联网的基础。这就是它的工作原理。

几乎每周都有报道称,一些新的大规模黑客活动暴露了大量敏感信息,从人们的信用卡信息、健康记录到公司宝贵的知识产权。网络攻击带来的威胁迫使政府、军队和企业探索更安全的信息传输方式。

如今,敏感数据通常被加密,然后通过光纤电缆和其他渠道连同解码信息所需的数字“密钥”一起发送。数据和密钥以经典的比特——代表1和0的电脉冲或光脉冲流——的形式发送。这让他们很脆弱。聪明的黑客可以在传输过程中读取和复制比特,而不会留下任何痕迹。

量子通信利用量子物理定律来保护数据。这些定律允许粒子(通常是光的光子,通过光纤传输数据)呈现叠加状态,这意味着它们可以同时表示1和0的多重组合。这些粒子被称为量子位元或量子位元。

从网络安全的角度来看,量子位的美妙之处在于,如果黑客试图在传输过程中观测它们,它们超脆弱的量子状态会“崩溃”为1或0。这意味着黑客无法篡改量子比特而不留下泄露活动的迹象。

一些公司已经利用这一特性创建了基于量子密钥分发(QKD)过程的网络,用于传输高度敏感的数据。至少在理论上,这些网络是超级安全的。

什么是量子通讯?

QKD包括在网络上以经典比特的形式发送加密数据,而解密信息的密钥则使用量子位在量子状态下进行编码和传输。

为了实现QKD,已经开发了各种方法或协议。被广泛使用的BB84就是这样工作的。想象两个人,爱丽丝和鲍勃。爱丽丝想安全地把数据发送给鲍勃。为此,她创建了量子位元形式的加密密钥,量子位元的极化状态代表密钥的个位值。

量子位元可以通过光纤电缆发送给Bob。通过比较一部分量子比特的状态测量——这个过程被称为“密钥筛选”——alice和Bob可以确定他们持有相同的密钥。

当量子位元到达目的地时,其中一些脆弱的量子状态会因为退相干而崩溃。为了解释这一点,爱丽丝和鲍勃接下来运行一个称为“密钥蒸馏”的过程,其中包括计算错误率是否高到足以表明黑客试图拦截密钥。

如果是,他们会丢弃可疑密钥,并不断生成新密钥,直到他们确信他们共享了一个安全密钥。然后爱丽丝就可以用她的密钥加密数据,并以经典比特的形式发送给鲍勃,后者用自己的密钥来解码信息。

我们已经开始看到更多QKD网络的出现。最长的是中国,北京和上海之间有2032公里(1263英里)的地面连接。银行和其他金融公司已经开始使用它来传输数据。在美国,一家名为Quantum Xchange的初创公司已经达成了一项协议,允许它访问沿东海岸运行的500英里(805公里)的光纤电缆,以创建一个QKD网络。第一步将连接曼哈顿和新泽西州,那里有许多银行的大型数据中心。

虽然QKD是相对安全的,但如果它能依靠量子中继器,它会更安全。

什么是量子通讯?

电缆中的材料可以吸收光子,这意味着光子的传播范围通常不超过几十公里。在一个经典的网络中,中继器沿着电缆在不同的点被用来放大信号来补偿这一点。

QKD网络已经提出了一个类似的解决方案,在不同的点上创建“可信节点”。比如,京沪高铁就有32个这样的网络。在这些中途站,量子密钥被解密成比特,然后以新的量子状态重新加密,以便它们到达下一个节点。但这意味着受信任的节点不能真正被信任:一个破坏节点安全的黑客可以复制未被发现的比特,从而获得密钥,经营节点的公司或政府也可以这样做。

理想情况下,我们需要量子中继器,或者带有量子处理器的路站,这样加密密钥在被放大和长距离发送时可以保持量子形式。研究人员已经证明了在原则上制造这种中继器是可行的,但他们还没有能够制造出一个工作原型。

QKD还有另一个问题。基础数据仍然以加密的比特在传统网络上传输。这意味着,黑客一旦突破了网络防御系统,就可以在未被发现的情况下复制比特,然后使用功能强大的计算机试图破解用于加密这些比特的密钥。

最强大的加密算法都是相当稳健的,但其风险之大,足以促使一些研究人员研究另一种方法,即量子隐形传态。

什么是量子通讯?

这听起来可能像科幻小说,但这是一种真正的方法,其中包括完全以量子形式传输数据。这种方法依赖于一种叫做纠缠的量子现象。

量子隐形传态的工作原理是制造一对纠缠的光子,然后将其中一对发送给发送方,另一对发送给接收方。当爱丽丝接收到纠缠光子时,她让光子与一个“存储量子位元”交互,这个量子位元保存着她想要传输给鲍勃的数据。这个相互作用改变了她光子的状态,因为它和鲍勃的纠缠在一起,这个相互作用也立刻改变了他光子的状态。

实际上,这将爱丽丝的量子比特中的数据从她的光子传输到鲍勃的量子比特。下面的图表更详细地展示了这个过程:

什么是量子通讯?

美国、中国和欧洲的研究人员正在竞相创建能够分发纠缠光子的远程传态网络。但让它们达到规模将是一个巨大的科学和工程挑战。许多障碍包括找到可靠的方法来按需大量生产连接的光子,以及在很长的距离内维持它们的纠缠——这是量子中继器可以使之更容易做到的。

尽管如此,这些挑战并没有阻止研究人员对未来量子互联网的梦想。

什么是量子通讯?

就像传统的互联网一样,这将是一个全球网络的网络。最大的不同是,基础通信网络将是量子网络。

它不会取代我们今天所知道的互联网。猫咪照片、音乐视频和大量不敏感的商业信息仍将以经典比特的形式传播。但是量子互联网将吸引那些需要保护特别有价值的数据安全的组织。它还可能是连接量子计算机之间流动的信息的理想方式,量子计算机越来越多地通过计算云提供。

中国是量子互联网发展的先锋。几年前,中国发射了一颗名为墨子号(Micius)的专用量子通信卫星。2017年,这颗卫星帮助在北京和维也纳之间举办了世界上第一个洲际qkd安全视频会议。一个地面站已经将卫星与北京到上海的地面网连接起来。中国计划发射更多的量子卫星,一些城市正在铺设市政QKD网络计划。

一些研究人员警告说,即使是完全量子的互联网,最终也可能容易受到自身基于量子的新攻击。但面对困扰当今互联网的黑客攻击,企业、政府和军方将继续探索更安全的量子替代方案的诱人前景。
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