Explainer: What Is Quantum Communication?

Researchers and companies are creating ultra-secure communication networks that could form the basis of a quantum internet. This is how it works.

Go to the profile of MIT Technology Review
MIT Technology Review
BlockedUnblockFollow 2月22日


插图:Tech女士

By Martin Giles


几个星期过去了,没有报道一些新的大型黑客暴露了大量的敏感信息,从人们的信用卡详细信息和健康记录到公司宝贵的知识产权。网络攻击带来的威胁迫使政府,军队和企业探索更安全的信息传输方式。


今天,敏感数据通常被加密,然后通过光纤电缆和其他通道与解码信息所需的数字"密钥"一起发送。数据和密钥作为经典位发送 - 表示电脉冲或光脉冲流 1
s and 0
秒。这使他们变得脆弱。聪明的黑客可以在传输过程中读取和复制位而不会留下痕迹。


量子通信利用量子物理定律来保护数据。这些定律允许粒子 - 通常是光子光沿着光缆传输数据 - 呈现出一种状态superposition
,这意味着它们可以代表多种组合 1
and 0
同时。这些粒子被称为量子比特,or qubits
.


从网络安全的角度来看,量子比特的美妙之处在于,如果黑客试图在传输过程中观察它们,那么它们超级脆弱的量子态会"崩溃"到 1
or 0
。这意味着黑客无法在不留下活动迹象的情况下篡改量子比特。


一些公司利用这个属性创建网络,用于基于称为量子密钥分发或QKD的过程传输高度敏感的数据。理论上,至少,这些网络是超安全的。

What is quantum key distribution?


QKD涉及通过网络将加密数据作为经典比特发送,而解密信息的密钥使用量子比特以量子状态进行编码和传输。


已经开发了用于实现QKD的各种方法或协议。被广泛使用的BB84就是这样的。想象一下两个人,爱丽丝和鲍勃。 Alice希望将数据安全地发送给Bob。为此,她以量子比特的形式创建加密密钥,其极化状态表示密钥的各个比特值。


量子比特可以通过光纤电缆发送给Bob。通过比较这些量子比特的一部分状态的测量值 - 称为"关键筛选"的过程---爱丽丝和鲍勃可以确定他们持有相同的密钥。


随着量子比特到达目的地,其中一些脆弱的量子态将因为而崩溃decoherence
。为了解释这一点,Alice和Bob接下来经历了一个称为"关键蒸馏"的过程,其中涉及计算错误率是否足够高以表明黑客试图拦截密钥。


如果是的话,他们会丢弃可疑密钥并继续生成新密钥,直到他们确信他们共享一个安全密钥。然后,Alice可以使用她来加密数据并将其以经典位发送给Bob,Bob使用他的密钥对信息进行解码。


我们已经开始看到更多的QKD网络出现了。最长的是中国,它拥有北京和上海之间2,032公里(1,263英里)的地面连接。银行和其他金融公司已经在使用它来传输数据。在美国,一家名为Quantum Xchange的初创公司拥有struck a deal
允许它访问沿东海岸运行的500英里(805公里)的光纤电缆,以创建QKD网络。最初的一条腿将连接曼哈顿与新泽西州,许多银行都拥有大型数据中心。


尽管QKD相对安全,但如果能够依靠量子中继器,它会更安全。

What is a quantum repeater?


电缆中的材料可以吸收光子,这意味着它们通常可以行进不超过几十公里。在传统网络中,沿着电缆的各个点处的中继器用于放大信号以补偿这一点。


QKD网络提出了类似的解决方案,在各个点创建"可信节点"。例如,北京到上海的网络有32个。在这些路径上,量子密钥被解密成比特,然后以新的量子状态重新加密,以便到达下一个节点。但这意味着受信任的节点实际上不可信任:违反节点安全性的黑客可以复制未检测到的位,从而获取密钥,运行节点的公司或政府也可以。


理想情况下,我们需要量子中继器或带有量子处理器的路由器,它们允许加密密钥在被放大并长距离发送时保持量子形式。研究人员已经证明原则上可以制造这样的中继器,但他们还没有能够生产出工作原型。


QKD还有另一个问题。基础数据仍然作为传统网络的加密比特传输。这意味着违反网络防御的黑客可以复制未检测到的位,然后使用功能强大的计算机尝试破解用于加密它们的密钥。


最强大的加密算法相当强大,但风险足以刺激一些研究人员开发一种称为量子隐形传态的替代方法。

What is quantum teleportation?


这可能听起来像科幻小说,但它是一种真正的方法,涉及完全以量子形式传输数据。该方法依赖于称为量子现象的量子现象entanglement
.


量子隐形传态通过创建成对的纠缠光子然后将每对中的一对发送给数据发送者而将另一对发送给接收者来工作。当爱丽丝收到她纠缠的光子时,她让它与一个"记忆量子位"相互作用,该记忆量子点包含她想要传送给鲍勃的数据。这种相互作用改变了她的光子状态,因为它与鲍勃的光子纠缠在一起,这种相互作用也瞬间改变了他的光子状态。


实际上,这将爱丽丝的记忆量子位中的数据从她的光子"传送"到鲍勃的。下图更详细地介绍了该过程:


美国,中国的研究人员,and Europe
正在竞相创造能够分布纠缠光子的传送网络。但要让它们扩大规模将是一项巨大的科学和工程挑战。许多障碍包括找到可靠的方法来按需生成大量连接的光子,并保持它们在很长距离内的纠缠 - 这是量子中继器更容易实现的。


尽管如此,这些挑战并没有阻止研究人员梦想未来的量子互联网。

What is a quantum internet?


就像传统的互联网一样,这将是一个跨越全球的网络网络。最大的区别在于底层通信网络将是量子通信网络。


它不会像我们今天所知的那样取代互联网。猫照片,音乐视频和大量非敏感商业信息仍将以经典的形式移动。但量子互联网将吸引那些需要保护特别有价值数据的组织。它也可以是连接信息之间的理想方式quantum computers
,越来越多地通过计算云提供。

China is in the vanguard
对量子互联网的推动。它几年前发射了一颗名为Micius的专用量子通信卫星,并于2017年在北京和维也纳之间帮助举办了世界上第一个洲际QKD安全视频会议。地面站已经将卫星连接到北京到上海的地面网络。中国计划发射更多的量子卫星,该国的几个城市正在为市级QKD网络制定计划。


Some researchers have warned
甚至全量子互联网也可能最终容易受到基于量子的新攻击的攻击。但面对困扰当今互联网的黑客冲击,企业,政府和军方将继续探索更加安全的量子替代品的诱人前景。

查看英文原文

查看更多文章


公众号:银河系1号


联系邮箱:public@space-explore.com


(未经同意,请勿转载)