量子密碼學承諾未來計算機將使用量子物理學的炫目光彩，透過超安全鏈路相互通訊。但是，將研究實驗室的突破擴充套件到具有大量節點的網路已被證明是困難的。現在，一個國際研究團隊已經構建了一個可擴充套件的城市範圍的量子網路，以共享用於加密訊息的金鑰。
該網路可以擴大規模，而不會導致昂貴的量子硬體成本不合理地升級。此外，該系統不要求任何節點是可信的，從而消除了任何削弱安全性的薄弱環節。
“我們已經在實驗室和部署在英國布里斯托爾市的光纖中對其進行了測試”，布里斯托爾大學的西達思·科杜魯·喬希說。他和他的同事使用一個具有八個節點的量子網路演示了他們的想法，其中最遠節點之間的距離為17公里，這是透過連線它們的光纖長度來測量的。該團隊的研究結果發表在9月2日的《科學進展》雜誌上。
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兩人成伴，三人成群
量子密碼學涉及使用量子物理定律來建立用於編碼和解碼訊息的私鑰，這個過程稱為量子金鑰分發，或 QKD。
在最常用的 QKD 協議中，一方，愛麗絲，準備併發送一個量子位元，或稱 qubit，給另一方，鮑勃。量子位元是處於兩種狀態量子疊加的粒子。鮑勃隨機選擇一組粒子測量方法中的一種。如果鮑勃選擇正確的測量型別，他將知道愛麗絲在量子位元中編碼的值。在對這些量子位元進行一系列測量之後，愛麗絲和鮑勃公開交換筆記，並同意使用鮑勃的某些測量的結果子集（雙方都知道此子集中每個量子位元的值）。他們丟棄其他測量結果。至關重要的是，結果不是公開的，愛麗絲和鮑勃使用它們來建立私鑰，以加密和解密透過公共連結傳送的訊息。
但是這種方法很難擴充套件。想象一下，您想向網路新增另一個使用者，查理。一種選擇是讓鮑勃和查理建立安全連結。然後愛麗絲可以透過鮑勃向查理髮送訊息，但她必須信任鮑勃。
維也納量子光學與量子資訊研究所的團隊成員塞巴斯蒂安·諾伊曼說：“這不是很吸引人。” “量子密碼學的全部意義在於無條件安全性。”
為了避免必須信任鮑勃，查理可以直接連線到愛麗絲和鮑勃。現在，這兩者都需要額外的硬體才能與查理通訊，因為在不中斷現有節點的情況下無法新增新節點。當您僅新增一個額外節點時，就會出現這個問題。隨著新節點的新增，要求在成本和複雜性方面呈指數級增長。例如，一個雙節點網路有一個連結，一個三節點網路有三個連結，一個八節點網路有 28 個連結，而一個 100 節點網路需要 4,950 個連結。
喬希和他的同事使用了另一種 QKD 協議，該協議涉及在任意兩個節點之間共享糾纏粒子，以設計一種新型網路，從而克服了許多這些問題。
城市多路複用
在這個協議中，愛麗絲和鮑勃使用糾纏光子對來建立私鑰。給定來自這樣一對光子的一個光子，愛麗絲隨機執行一組特定的測量之一。鮑勃對他的粒子做同樣的事情。由於光子是糾纏的，如果愛麗絲和鮑勃進行相同的測量，他們將獲得相同的結果。兩人公開分享他們對成對粒子的測量序列。然後，他們選擇那些本應給出相同結果的子集，並丟棄其他子集。這些從未公開披露的結果構成了私鑰的基礎。
研究人員沒有構建一個其中八個節點中的每一個都物理連線到所有其他節點的網路，而是建立了一個具有中央源的網路，該中央源將糾纏光子傳送到八個節點，分別命名為愛麗絲、鮑勃、克洛伊、戴夫、馮、戈皮、海蒂和伊萬。每個節點僅透過單個光纖鏈路連線到源，總共形成八個鏈路——遠少於沒有可信節點的傳統 QKD 所需的 28 個鏈路。
因此，即使節點沒有物理連線，研究人員開發的協議也透過量子糾纏的魔力在每對節點之間建立了一個虛擬連結，從而使每對節點都可以建立私鑰。
中央源具有所謂的非線性晶體，可以“吐出”一對在偏振方面糾纏的光子。這些光子的波長以大約 1,550 奈米為中心，正負幾十奈米。如果要尋找並找到其中一個波長為 1,560 奈米的光子，那麼能量守恆定律規定，其糾纏夥伴的波長將為 1,540 奈米。這種窄波長就是一個通道。中央源將初始糾纏對的波長分成 16 個通道，一側 8 個，另一側 –1 到 –8，與 1,550 奈米等距。這樣做有效地建立了八對通道，一側編號為 1 到 8，另一側編號為 –1 到 –8。在測量時，光子當然只會在一對通道中被發現，而不會在其他通道中被發現。
然後，這些通道在同一根光纖中組合或多路複用，併發送到每個節點。每個節點獲得不同的通道組合。例如，愛麗絲接收通道 2、6、7 和 8；戴夫接收 –6、–4、–3 和 1；戈皮接收 –8、5、4 和 –2。波長的選擇使得任何兩個節點始終共享至少一對通道，這些通道中可能存在糾纏光子。在上述方案中，愛麗絲和戴夫共享通道 6 和 –6；愛麗絲和戈皮共享通道 2 和 –2 以及 8 和 –8；戴夫和戈皮共享 –4 和 4。
每個節點都監視其所有通道，以測量潛在光子的偏振態（如果光子出現在其中一個通道中）。因此，如果光子探測器為愛麗絲髮出咔噠聲，則她有效地進行了一次測量，以檢視光子是沿一個方向（水平或垂直）偏振還是沿另一個方向（對角線或反對角線）偏振。碰巧的是，只有另一個節點會在完全相同的時間檢測到相應的糾纏光子。
在一系列使用大量糾纏光子對的測量之後，節點廣播其光子計數和檢測到光子的相應時間戳。此資訊使節點能夠弄清楚哪些光子對是由哪些節點對測量的。例如，愛麗絲和戴夫意識到，對於某個時間戳，他們的檢測數量存在很強的相關性。這種相關性代表了他們共享的糾纏光子。愛麗絲和戴夫現在可以使用這些測量的結果在他們兩者之間建立金鑰。
安全地擴充套件規模
新增新節點很簡單：只需將其連線到中央源即可，中央源只需修改其通道拆分和多路複用方案。但是，現有節點都不需要擔心。“隨著網路的變化，愛麗絲不必做任何改變”，喬希說。
此外，所需的額外硬體隨著節點數量的增加呈線性擴充套件——與早期技術相比，這是一項重大改進。至關重要的是，所有節點都不必是可信的，但它們中的任何一對都可以建立安全連結以建立牢不可破的量子金鑰，該金鑰可用於編碼和解碼訊息。
未來的大規模量子網路將必須解決至少兩個主要問題：一是它們必須互連任意數量的使用者。其次，此類網路必須跨越廣闊的洲內和洲際距離——這需要使用量子中繼器來擴充套件可以分發量子態的範圍，或者使用衛星將量子位元或糾纏粒子束縛到地面節點。
荷蘭代爾夫特理工大學的羅納德·漢森沒有參與這項新工作，他承認這項工作將 QKD 擴充套件到“在 QKD 的有限範圍內覆蓋更多使用者，而無需中繼器。”
喬希的團隊承認，他們的工作尚未解決大於小城市範圍的距離問題。為了增加範圍，研究人員正在考慮使用衛星來攜帶他們的糾纏光子中央源。“我們正在努力使這樣的源與太空相容”，喬希說。“我們必須使其足夠堅固。”