與設備無(wú)關(guān)的量子密鑰分發(fā)的藝術(shù)表示圖。圖片來(lái)源：Scixel/恩里克·薩哈古
科技日報記者?張夢(mèng)然
密碼學(xué)的藝術(shù)是巧妙地轉換信息，使它們對除了預期的接收者之外的每個(gè)人都毫無(wú)意義?，F代密碼方案，例如支持數字商務(wù)的方案，通過(guò)要求對手執行消耗大量計算能力的數學(xué)運算，來(lái)防止被非法破譯信息（例如信用卡信息）。
然而，從1980年代開(kāi)始，密碼學(xué)引入了巧妙的理論概念，安全性不再依賴(lài)于竊聽(tīng)者的有限數字處理能力。相反，量子物理學(xué)的基本定律限制了對手最終可以攔截 多少信息。在一個(gè)這樣的概念中，只需對所使用的物理設備進(jìn)行一些一般性假設，就可以保證安全性。這種“獨立于設備”的方案長(cháng)期以來(lái)一直受到追捧，但迄今仍 然遙不可及。
來(lái)自英國牛津大學(xué)、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、日內瓦大學(xué)及法國原子能和可替代能源委員會(huì )的國際研究團隊在《自然》雜志報告了此類(lèi)協(xié)議的首次演示，從而朝著(zhù)提供強大安全性的實(shí)用設備邁出了決定性的一步。
鑰匙是秘密
安全通信就是保持信息的私密性。而令人驚訝的是，在現實(shí)世界的應用程序中，合法用戶(hù)之間的大部分交易都是公開(kāi)進(jìn)行的。關(guān)鍵是發(fā)送者和接收者不必隱藏他們的整個(gè)通信。
本質(zhì)上，他們只需要分享一個(gè)“秘密”。這個(gè)秘密是一串比特，稱(chēng)為加密密鑰，它使擁有它的每個(gè)人都能夠將編碼消息轉換為有意義的信息。但問(wèn)題是如何確保只有合法方共享密鑰呢？
例如，在底層的密碼算法中，最廣泛使用的密碼系統之一RSA的密鑰分配基于未經(jīng)證實(shí)的猜想，即某些數學(xué)函數易于計算但難以還原。更具體地說(shuō)，RSA依賴(lài)于 這樣一個(gè)事實(shí)：對于今天的計算機來(lái)說(shuō)，很難找到一個(gè)大數的素因數，而對它們來(lái)說(shuō)，將已知的素因數相乘很容易得到那個(gè)數。因此，數學(xué)難度確保了保密性。
但是，今天不可能的事情，對于明天卻可能會(huì )很容易。眾所周知，量子計算機能比經(jīng)典計算機更有效地找到質(zhì)因數。一旦擁有足夠多量子比特的量子計算機得以運用，RSA編碼注定會(huì )變得可滲透。
量子理論不僅為破解數字商務(wù)核心的密碼系統提供了基礎，而且還為該問(wèn)題的潛在解決方案提供了基礎，那是一種與RSA完全不同的密鑰分配方式，其與執行數學(xué)運算的難度無(wú)關(guān)，而是與基本物理定律有關(guān)，這種方式就是量子密鑰分發(fā)（QKD）。
量子認證的安全性
1991年，波蘭裔英國物理學(xué)家阿圖爾·?？颂卦谝黄_(kāi)創(chuàng )性的論文中表明，密鑰分配過(guò)程的安全性可通過(guò)直接利用量子系統獨有的特性來(lái)保證，而經(jīng)典物理學(xué)中沒(méi)有等效特性，這就是量子糾纏。
量子糾纏是指在單獨的量子系統上執行的測量結果中，體現了某些類(lèi)型的相關(guān)性。重要的是，兩個(gè)系統之間的量子糾纏是排他性的，因為沒(méi)有其他任何東西可與這些系統相關(guān)聯(lián)。
在密碼學(xué)的背景下，這意味著(zhù)發(fā)送者和接收者可通過(guò)糾纏的量子系統在他們之間產(chǎn)生共享的結果，而第三方無(wú)法秘密獲得有關(guān)這些結果的任何信息。因為任何竊聽(tīng)都 會(huì )留下明顯標記入侵的痕跡。簡(jiǎn)而言之：多虧了量子理論，合法的各方可以超出對手控制的方式相互交流。而在經(jīng)典密碼學(xué)中，等效的安全保證被證明是不可能的。
多年來(lái)，人們意識到基于?？颂叵敕ǖ腝KD方案有一個(gè)更顯著(zhù)的好處：用戶(hù)只需對過(guò)程中使用的設備作出非常一般的假設。相比之下，基于其他基本原理的早期 QKD形式需要詳細了解所用設備的內部工作原理。QKD的新穎形式通常被稱(chēng)為“不依賴(lài)設備的QKD”，其實(shí)驗呈現成為該領(lǐng)域的主要目標?，F在，這種令人興 奮的突破性實(shí)驗現在終于實(shí)現了。
從理論到實(shí)踐的跨越
該實(shí)驗涉及兩個(gè)單離子，一個(gè)用于發(fā)送器，一個(gè)用于接收器，都被限制在單獨的陷阱中，這些陷阱與光纖鏈路相連。在這個(gè)基本的量子網(wǎng)絡(luò )中，離子之間的糾纏在數百萬(wàn)次運行中都能以創(chuàng )紀錄的高保真度產(chǎn)生。
如果沒(méi)有這種持續的高質(zhì)量糾纏源，該協(xié)議就無(wú)法以實(shí)際有意義的方式運行。同樣重要的是，要證明糾纏得到了適當的利用，須通過(guò)證明是否違反了貝爾不等式的條件來(lái)完成。此外，為了分析數據和有效提取密鑰，需要在理論方面取得重大進(jìn)展。
在實(shí)驗中，作為“合法方”的離子位于同一個(gè)實(shí)驗室，但是有一條明確的路線(xiàn)可將它們之間的距離延伸到千米甚至更遠。從這個(gè)角度來(lái)看，再加上德國和中國在相關(guān)實(shí)驗方面取得的進(jìn)展，現在將?？颂氐睦碚摳拍钷D化為實(shí)用技術(shù)，有了明確的前景。