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革命性的量子突破為更安全的在線交流鋪平了道路

得益于一組國(guó)際科學(xué)家創(chuàng)造了一個(gè)獨(dú)特的原型,該原型可以改變我們的在線交流方式,因此,世界距離擁有完全安全的互聯(lián)網(wǎng)和應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊的威脅已經(jīng)近了一步。

由布里斯托大學(xué)(University of Bristol)領(lǐng)導(dǎo)的這項(xiàng)發(fā)明今天在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)雜志上披露,具有為數(shù)百萬(wàn)用戶(hù)提供服務(wù)的潛力,被認(rèn)為是有史以來(lái)規(guī)模最大的量子網(wǎng)絡(luò),可用于保護(hù)人們的在線交流,特別是加速了這些互聯(lián)網(wǎng)主導(dǎo)時(shí)代。

通過(guò)部署一種新技術(shù),利用簡(jiǎn)單的物理定律,它可以使消息完全不受攔截,同時(shí)還可以克服以前很少使用但被大肆宣傳的技術(shù)所限制的重大挑戰(zhàn)。

該大學(xué)量子工程技術(shù)(QET)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)項(xiàng)目的主要作者Siddarth Joshi博士說(shuō):“這代表了巨大的突破,并使量子互聯(lián)網(wǎng)成為更加現(xiàn)實(shí)的主張。到目前為止,建立量子網(wǎng)絡(luò)需要付出巨大的成本,時(shí)間和資源,而且經(jīng)常會(huì)損害其安全性,從而破壞了整個(gè)目標(biāo)。”

“我們的解決方案具有可擴(kuò)展性,相對(duì)便宜,而且最重要的是不可滲透。這意味著它是一個(gè)激動(dòng)人心的游戲規(guī)則改變者,為該技術(shù)的更快發(fā)展和廣泛推廣鋪平了道路。”

當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)依靠復(fù)雜的代碼來(lái)保護(hù)信息,但是黑客越來(lái)越擅長(zhǎng)于使此類(lèi)系統(tǒng)變得更聰明,從而導(dǎo)致全世界范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)攻擊,這些攻擊每年造成數(shù)萬(wàn)億英鎊的重大隱私泄露和欺詐。預(yù)計(jì)此類(lèi)成本將急劇上升,尋找替代方案的理由更加引人注目,并且數(shù)十年來(lái),量子已被視為標(biāo)準(zhǔn)加密技術(shù)的革命性替代。

到目前為止,物理學(xué)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種安全的加密形式,稱(chēng)為量子密鑰分發(fā),其中可以傳播稱(chēng)為光子的光粒子。該過(guò)程允許兩方共享用于加密和解密信息的秘密密鑰,而沒(méi)有被攔截的風(fēng)險(xiǎn)。但是迄今為止,該技術(shù)僅在兩個(gè)用戶(hù)之間有效。

“直到現(xiàn)在,擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的努力都涉及龐大的基礎(chǔ)架構(gòu)和系統(tǒng),該系統(tǒng)需要為每個(gè)其他用戶(hù)創(chuàng)建另一個(gè)發(fā)送器和接收器。Joshi博士說(shuō):“以這種方式共享消息(稱(chēng)為受信任節(jié)點(diǎn))還不夠好,因?yàn)樗褂昧颂囝~外的硬件,這些硬件可能會(huì)泄漏并且將不再是完全安全的。”

團(tuán)隊(duì)的量子技術(shù)運(yùn)用了一個(gè)看似神奇的原理,即所謂的糾纏,阿爾伯特·愛(ài)因斯坦將其描述為“遠(yuǎn)距離的怪異動(dòng)作”。它利用放置在不同位置(可能相隔數(shù)千英里)中的兩個(gè)不同粒子的力量來(lái)相互模仿。這個(gè)過(guò)程為量子計(jì)算機(jī),傳感器和信息處理提供了更多的機(jī)會(huì)。

喬希博士說(shuō):“這種最新的方法被稱(chēng)為多路復(fù)用,而不必復(fù)制整個(gè)通信系統(tǒng),而是將單個(gè)系統(tǒng)發(fā)出的光粒子分開(kāi),從而可以被多個(gè)用戶(hù)有效地接收。”

該團(tuán)隊(duì)僅使用八個(gè)接收器盒就為八個(gè)用戶(hù)創(chuàng)建了一個(gè)網(wǎng)絡(luò),而前一種方法則需要將用戶(hù)數(shù)乘以多次-在這種情況下,總計(jì)為56個(gè)盒。隨著用戶(hù)數(shù)量的增加,物流變得越來(lái)越不可行–例如,100個(gè)用戶(hù)將需要9,900個(gè)收件箱。

為了展示其跨距離的功能,接收器盒通過(guò)布里斯托爾的不同位置連接到光纖,并使用該市現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)測(cè)試了通過(guò)量子通信傳輸消息的能力。

喬希博士說(shuō):“除了完全安全之外,這項(xiàng)新技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)還在于其流線型敏捷性,因?yàn)樗c現(xiàn)有技術(shù)集成在一起,因此需要最少的硬件。”

該團(tuán)隊(duì)獨(dú)特的系統(tǒng)還具有流量管理功能,可提供更好的網(wǎng)絡(luò)控制,例如,允許某些用戶(hù)以更快的連接獲得優(yōu)先級(jí)。

以前的量子系統(tǒng)花費(fèi)了數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億英鎊的成本才花費(fèi)了數(shù)年的時(shí)間才能建立,但這個(gè)網(wǎng)絡(luò)在不到幾個(gè)月的時(shí)間內(nèi)就花費(fèi)了不到30萬(wàn)英鎊。隨著網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展,財(cái)務(wù)優(yōu)勢(shì)會(huì)不斷增長(zhǎng),因此,盡管先前的量子系統(tǒng)的100個(gè)用戶(hù)的成本可能在50億英鎊左右,但喬希博士認(rèn)為,多路復(fù)用技術(shù)可能會(huì)將其削減至450萬(wàn)英鎊左右,不到1%。

近年來(lái),量子密碼術(shù)已成功用于保護(hù)中國(guó)銀行業(yè)中心之間的交易并在瑞士大選中獲得選票。然而,其龐大的應(yīng)用卻因所涉及的巨大資源和成本而受阻。

“有了這些規(guī)模經(jīng)濟(jì),實(shí)現(xiàn)通用的量子互聯(lián)網(wǎng)的前景就不那么遙不可及了。我們已經(jīng)證明了這一概念,并通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化我們的多路復(fù)用方法來(lái)優(yōu)化和共享網(wǎng)絡(luò)中的資源,在不遠(yuǎn)的將來(lái),我們不僅可以服務(wù)于成百上千的用戶(hù),還可以服務(wù)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的用戶(hù)。”

后果不僅顯示了互聯(lián)網(wǎng)的重要性和潛力,以及我們對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的日益依賴(lài),而且還顯示了其絕對(duì)安全性至關(guān)重要。多重糾纏可能成為使這種安全成為急需的現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵。”

該研究獲得了工程和物理科學(xué)研究委員會(huì)(EPSRC)的量子通信中心,克羅地亞科學(xué)與教育部(MSE)和奧地利研究促進(jìn)局(FFG)的資助。

與布里斯托大學(xué)合作的機(jī)構(gòu)有利茲大學(xué),位于薩格勒布的克羅地亞魯?shù)?middot;博斯科維奇研究所(RBI),位于維也納的奧地利量子光學(xué)與量子信息研究所(IQOQI)以及位于長(zhǎng)沙的中國(guó)國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)

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