安全通信量子材料

量子缠绕是现代物理学中最反感但最强的现象之一。 缠绕的核心是描述一种状态,即两个或两个以上的粒子变得如此紧密地联系在一起,从而无论它们之间距离如何,都能够瞬间影响它们。 Albert Einstein 著名的非局部连接称为“远距离的飞跃行动 ” , 不再仅仅是一种理论好奇心。 它已经成为新兴量子通信网络的基石,这些系统保证提供远超经典密码学所能达到的安全和效率。

缠绕到底如何起作用

要理解缠绕,我们必须首先接受量子粒子在被测量之前没有固定的特性。例如,光子在被观测到之前没有确定分化。当两个光子被缠绕时,它们的分化会变得相互关联,这样如果一个被测量到水平极化,另一个将被发现垂直极化,反之亦然。即使光子被分隔了公里或更多,这种相关性仍然维持着。关键是,每个单个测量的结果都是随机的,但两个结果之间的关系是由缠绕决定的。

当粒子以保持其量子状态一致性的方式相互作用时,就会产生缠绕。 常见的方法包括非线性晶体中自发的参数化下置转换(SPDC),其中单个高能光子分裂为两个低能环绕光子,或者通过被困离子系统中的量子门。 用于通信的关键属性是缠绕连接是脆弱的:任何未经接收者同意而拦截或测量一个粒子的尝试都会打破关联,提醒各方该通道已经受损。

量子键分布: 缠绕的实用臂

缠绕在通信中最直接的应用是 quantum密钥分布(QKD). 与传统加密不同, QKD依赖于数学的复杂性, 并且可以被强大的量子计算机打破, 使用物理定律确保保密. 在一个基于缠绕的QKD协议, 如Ekert协议(E91), 两个当事方(通常叫Alice和Bob) 每人从缠绕的对子中接收一个光子, 它们使用随机选择的基子来测量其光子, 然后公开比较其测量结果的子集, 以检测窃听。 如果没有发现扰动, 它们可以从剩下的测量中提取一个共享的秘密密钥 。

“基于缠绕的QKD的安全性基于一个事实,即任何窃听者不能不引入噪音就复制量子状态,测量行为本身就扰乱了系统,使入侵可被察觉。”

现今商业部署的QKD系统通常使用弱的连贯脉冲而不是缠绕光子,但缠绕具有根本优势:可以用于构建device-Independent QKD[,其中安全性不依赖对硬件的信任. 虽然仍然实验性,设备独立协议代表无条件安全金本位.

建设量子互联网

量子通信的长期愿景远远超出了点对点密钥分布。 研究人员正在努力建立一个量子网 — 一个连接量子设备、允许分布量子计算和允许超安全数据传输的全球网络。 这一网络的核心是长距离的缠绕分布。 然而,通过光纤直接通过数百公里的光纤传递缠绕光子是挑战性的。这就是量子中继器的运行所在。

量子中继器: 延伸缠绕的伸展

经典中继器放大模拟信号, 但量子中继器不能简单地复制一个量子状态, 因为没有克隆定理。 相反, 它们使用缠绕互换和量子内存的组合来建立阶段的长距离缠绕。 这一过程的作用如下 : 将一个长纤维链接分解为较短的段, 在每一段内产生缠绕, 然后使用钟态测量在中点进行互换缠绕。 结果是一种横跨全程的对子, 而不使用整个路径的信号。 虽然在开发的早期阶段, 量子中继器在实验室环境中已经演示出来, 并且对于一个功能性的量子互联网来说是不可或缺的 。

卫星量子通信

克服距离限制的另一种方法是利用卫星. 2016年发射的中国米修斯卫星成功展示了地面站之间以及中欧之间洲际QKD的缠绕分布,卫星链路避免了光纤在长途上的指数性损失,因为大部分路径都是通过空空的空间,这一技术为可以连接各大洲而不需要数千个中继器的全球量子网络铺平了道路.

通往可扩展网络的道路上的挑战

尽管取得了显著进展,但在以缠绕为基础的量子通信成为主流之前,仍然存在若干技术障碍。

疏导和噪音

缠绕状态极其脆弱。 环境相互作用 — — 与空气分子、纤维杂质或热振动 — — 导致脱节,从而破坏量子的相关性。 保持缠绕在时间和距离上需要超低损耗材料、一些qubit类型的低温冷却以及高级错误校正。 在纤维中,衰减将直接缠绕分布的实际范围限制在100公里左右,而无需中继器。

量子内存

量子中继器的关键组件是可靠的量子内存,在进行中继器操作时可以将缠绕状态存储数以毫秒至秒。当前基于原子共聚体或被困离子的记忆存储时间和忠诚度有限。这一领域的进展正在加速,最近,在室温系统中,记忆的显示超过了1秒,但还有许多工作要做。

标准化和一体化

量子网络要与现有的古典基础设施进行互操作,就需要行业标准. 例如,基于缠绕的QKD协议必须定义关键蒸馏,认证,以及错误校正步骤. QKD上的ETSI组已经发布了几个标准,但基于缠绕的变体还没有被广泛采用. 此外,将量子组件与古典收发器和网络管理系统整合在一起是非三角的.

QKD 之外: 分布量计算的缠绕

量子通信网络不仅会保护古典数据——它们也会启用 分布量子计算[],在这个模型中,位于不同节点交换的缠绕状态的多个小量子处理器集体解决超过任何单个设备容量的问题,盲量子计算,一个量子能力有限的客户端可以在远程量子服务器上运行计算而不披露数据或算法,是另一个新兴应用,这些使用的案例依赖于高真性缠绕分布和高效的电传协议.

实际世界部署和实验

该领域正在从学术实验室向现实世界的试验床发展. 美国的DARPA量子网络[是跨越多个节点的QKD的早期示范. 欧洲运行着[欧洲量子互联网联盟[,旨在到2030年将主要城市与量子链接连接起来. 中国在北京和上海之间建造了2000公里的纤维QKD骨干,由米修斯卫星扩充,这些项目表明技术基础是坚实的,即使完整的量子互联网仍然在十年或更长的时间内.

未来方向

展望未来,若干研究途径至关重要:

  • 提高缠绕生成率——目前的国家和平与发展委员会来源每秒产生数百万对缠绕,但只有一小部分在计算损失后可以使用,需要亮度高的纯度来源.
  • 开发芯片尺度量子设备——集成缠绕源,探测器,光子芯片上的内存,将降低成本,提高可伸缩性.
  • Hybrid量子网络——结合缠绕与其他量子资源(如挤压,组态),可能为感知和计算提供额外优势.
  • 标准化设备独立协议[——为了长期安全,超越信任的节点架构,完全实现设备独立QKD将是必不可少的.

量子缠绕不仅仅是自然界的令人着迷的好奇心 — — 它是我们如何看待安全通信和分布式计算的一种实用资源。 随着研究人员克服了脱节、中继和融合的挑战,缠绕式网络很可能成为全球通信基础设施的关键部分,保护数据免遭甚至最强大的未来对手的伤害。