英布里斯托城迎来“超安全量子网络”

众所周知，我们现阶段使用的网络正成为黑客的“游乐场”，从不安全的通信线路到未受到充分监督的云端数据库，网络中的漏洞无处不在。

而物理学家正加紧研究的量子网络中，信息将在量子世界中被创造、存储和传输：传统信息通过值为0或1的二进制数字进行处理，相比之下，量子信息则利用了可以由0与1进行叠加的量子比特，因而可以在光子的偏振状态或电子与原子核的自旋状态下被编码，更复杂的编码使得量子网络系统得以提供用户更高级别的私密性、安全性和计算能力。

近期，英国布里斯托大学的物理学家乔希及其团队成功在布里斯托城建立了城市范围的“超安全量子网络”，该网络可以连接城市17公里范围内的超过八个用户，将通过促进实现多用户之间量子密码的应用，保障量子互联网的安全。因此，这一实验被视为全量子互联网建设路上的又一里程碑。

过去：极复杂的网络链路

“量子密码术”包括重要的“量子密钥分配”（QKD）过程，即利用量子力学原理创造用于编码和解码的私人密钥。在以往的“量子密钥分配”协议中，通常是两个用户在信息的分享与交换中对两者间的一些测量结果达成共识，关键之处在于这些结果是不公开的，两个用户可以通过利用这些结果在公用链路中建立可以编码和解码信息的私人密钥。

然而，若想扩大规模，让其他用户加入网络，以往协议的方法就将面临很大困难。

其中一种思路是现有用户中的一者与新用户建立安全链路，另一者经由前者将信息传递给新用户来实现与新用户的联系，然而这个过程需建立在后者信任前者的基础之上，如其中存在“不可信”的不安全节点，如此一来量子网络安全保密的优势也就不复存在了。

由此，为避免对现有用户的影响，只能通过添加用户节点，在新用户与两个现有用户建立链路。如此，按照排列组合原则，含有2个节点的网络需要1条链路，含有3个节点的网络需要3条链路，含有8个节点的网络就需要28条链路……这将使加入新用户的成本和复杂程度大幅增加。

现在：超安全的量子密钥

在近日设计的“超安全量子网络”中，乔希及其团队使用了另一种QKD协议，通过在任意两个节点之间共享纠缠粒子，建设了一种不同的网络，从而解决了这些问题。在该协议中，他们利用多对纠缠光子建立了一种私人密钥。两个用户中只需其中一对光子中的一个，便可分别通过个人的粒子随机执行一种特定的测量，而由于光子纠缠的缘故，两个用户只要进行相同的测量便可得到一致的结果，从而在公用链路中分享他们成对粒子的测量序列并选择共同的结果，以形成一个不对其他用户公开的私人密钥。

这样，研究人员便不再需要在八个节点之间分别建立物理联系的网络，而只需建立一个将纠缠光子传输给八个节点的中心源，每个节点只通过一根光导纤维与中心源相连，建立起八条链路，远优于传统QKD建立28条链路的思路。因此，即使每个节点之间没有物理联系，研究人员设计的新QKD协议仍在每对节点之间搭建起了依靠量子纠缠形成私人密钥的虚拟链路，使其相互连通。如此，两个节点便可在一定时间阶段共享纠缠光子并形成强相关，从而形成两个用户之间的私人密钥。

未来：更大范围的网络覆盖

对于量子网络的研究一直受到物理学家的广泛重视。早在2019年年初，研究人员已将利用钻石和水晶中的瑕疵帮助光子实现变色、使用无人机充当网络节点等一系列奇异的材料和方法投入量子领域研究。许多研究人员表示，量子网络发展的第一阶段将是通过利用标准光纤连接50到100公里间的至少三个小型量子设备。而据欧洲量子互联网联盟一研究人员预测，这一网络的建立需要5年时间。对于这一目标的实现，近日“超安全量子网络”的建立无疑是重要而具有里程碑意义的。

这项研究成果在量子网络的应用与发展领域都有着深远影响：中心源的建立使得添加新的用户节点更为简便，只要通过对中心源的“信道分流和多路复用”方案进行修改，并将新节点与之相连，就能在不影响其他节点的情况下完成；同时也无须担心“不可信”节点的存在，可以说真正实现了用户间量子密码的不可破解与“超安全”性。

量子网络的未来应用值得期待，然而研究人员还需进一步解决两项关键问题：其一，量子网络须与任意大量用户互相联系；其二，该量子网络须能通过量子中继器增大量子状态的分布范围，或使用卫星发射量子比特或纠缠粒子到地面的节点，实现洲内、洲际的大范围覆盖。乔希承认其团队尚未解决量子网络距离问题，对此，他表示他们正努力建造一个宇宙兼容的中心源。