量子互聯網的新突破：黑客可能將成為歷史

新冠疫情期間，全世界有大量的人都只能在家工作，許多人也更加意識到，通過互聯網發送敏感信息存在著許多安全風險。信息科學家所能提出的最好方法，就是盡可能地讓你的信息很難被攔截（或者被黑掉）——盡管目前來看還不可能。

我們需要的是一種新型的互聯網：量子互聯網。在這個新的全球網絡中，數據是安全的，連接是隱私的，對信息被攔截的擔憂將成為過去。

近日，英國布里斯托爾大學的量子通信研究者Siddarth Koduru Joshi和同事在《科學-進展》（Science Advances）雜志上發表了一項突破性進展，指出可以利用現有的通信基礎設施，擴展量子互聯網背后的概念，從而使量子互聯網成為可能。

目前保護在線數據的方法是使用數學問題進行加密，如果你有一把解鎖的數字“鑰匙”，就可以很容易解開數學問題，從而破解密碼;如果沒有這把“鑰匙”的話，密碼就很難破解。然而，很難并不意味著不可能，只要有足夠的時間和計算能力，今天的加密方法都是可以破解的。

相比之下，量子通信使用光的單個粒子（光子）來創建密鑰，而根據量子物理學原理，你不可能制造出精確的密鑰副本。復制這些密鑰的任何嘗試都將不可避免地導致可被檢測的錯誤。這意味著，無論黑客多么聰明、多么強大，也無論他們擁有什么樣的超級計算機，都無法復制量子密鑰或讀取加密的信息。

這一概念已經在衛星和光纖電纜上得到驗證，并被用于在不同國家之間發送安全信息。那么，為什么我們還沒有在日常生活中使用它呢？答案是，實現這一概念需要昂貴的專門技術，意味著目前還無法擴展。

以往的量子通信技術就像成對的兒童對講機。每一對想要安全通信的用戶都需要一對手機。因此，如果3個孩子想要相互交談，他們就需要3對手機（或6個對講機），每個孩子必須有兩對。如果8個孩子想要互相交談，他們就需要56個對講機。

顯然，對于那些想要通過互聯網進行交流的人來說，為每個人或每個網站配備單獨的設備是不現實的。因此，Siddarth Koduru Joshi等人想出了一種方法，讓每個用戶只用一臺設備就可以安全地連接，這更像電話而不是對講機。

為了共享量子密鑰并確保通信安全，每個對講機都起著發射器和接收器的作用。在Siddarth Koduru Joshi等人的模型中，用戶只需要一個接收器，因為他們可以從中央發射器獲得光子來生成密鑰。

這是有可能的，因為量子物理學還有另一個原理——糾纏。一個光子不能被精確復制，但它可以與另一個光子糾纏在一起，這樣無論它們相距多遠，它們的行為在被測量時都是一樣的——這就是阿爾伯特·愛因斯坦所說的“鬼魅般的遠距作用”。

完整的網絡

當兩個用戶想要通信時，中央發射器就會發送一對糾纏的光子，每個用戶一個光子。然后，用戶的設備對這些光子進行一系列測量，從而創建一個共享的量子密鑰。然后他們可以用這個密鑰加密他們的信息，并安全地進行傳送。

利用多路復用（multiplexing，一種常用的通信技術），我們可以將這些糾纏的光子對有效地同時發送給多個組合的人。我們還可以向每個用戶發送許多信號，而這些信號可以同時被解碼。通過這種方式，對講機被有效地換成了一種更類似于多參與者視頻通話的系統，在這種系統中，你可以私下、獨立地與每個用戶進行通信，也可以同時通信。

到目前為止，Siddarth Koduru Joshi等人通過連接一個城市的8個用戶，建立了一個這樣的網絡，對量子網絡的概念進行了測試。他們正在努力提高網絡的速度，并將多個這樣的網絡互連起來。已經有合作者開始使用他們的量子網絡作為測試平臺，對量子通信以外的幾個應用進行測試。

Siddarth Koduru Joshi等人也希望在未來幾年內與商業伙伴在此技術基礎上開發出更好的量子網絡。通過這樣的創新，他們希望能在未來十年見證量子互聯網的興起。