使用量子纠缠隐藏秘密

来源：物理研究更新

作者：更新

1980 年代，物理学家开始提出基于量子的加密方法，对数据进行加扰以保证其安全性。这些方法利用了量子系统的一个特殊性质：对这些系统的测量固有地改变了系统的属性。具体来说，这些协议涉及对量子对象的连续测量，其统计数据应该可以揪出任何窃听者。研究人员一直在努力构建完全按照协议规定工作的设备，现在三个研究小组：一个在中国、一个在英国、一个在德国，已经独立地进行了量子加密方法的原理验证实验，即使使用的设备的行为与预期的不完全一样，也可以保护信息[1-3]。

这三个实验分别展示了称为设备无关量子密钥分发 (DIQKD) 的加密方法的各个方面。在 DIQKD 中，一个设备会重复产生成对的纠缠量子粒子，Alice和Bob各自从每一对中取出一个粒子。然后，爱丽丝和鲍勃创建了一个“密钥”——一串可以编码和解码消息的 1 和 0。如果粒子是光子，这个属性可能是它的极化，它可以是水平的或垂直的。对于原子，它可能是原子的状态（基态或激发态）。因为对一个粒子的测量结果与其纠缠对应的结果相关，所以 Alice 和 Bob 在一些后处理后可以生成一个共享密钥。

当 Alice 和 Bob 进行这些测量时，他们使用一个基于量子规则的测试来间歇性地验证信道的安全性，这个测试被称为贝尔定理。根据贝尔定理，如果两个粒子纠缠在一起，那么对这些粒子的测量必须表现出特定的统计相关性。对于测试，Alice 和 Bob 使用测量的子集来生成密钥，然后他们检查测量结果是否符合规定的统计数据。如果出现不匹配，Alice 和 Bob 知道他们的粒子不再纠缠，说明他们不能再保证通道的安全性。

虽然这三个实验使用了类似的 DIQKD 方法，但它们之间存在显着差异。中国的实验使用纠缠光子，英国使用纠缠锶离子，德国使用纠缠的铷原子。每个都有自己的优势，例如当使用原子时，研究人员可以跟踪纠缠对中的两个粒子。但当使用光子时，无法追踪两个纠缠的光子。当一对光子中的一个光子丢失时，这对安全性提出了其他实验要求。然而，光子被用于许多现有的通信技术中，使用光子实现量子技术变得更容易和更快。

在所有的实验中，Alice 和 Bob 相距不到一公里。在中国的实验中它们相距 20 到 220 m，德国的相距 400 m，而英国的仅相隔 2 m。由于距离的限制，演示还没有表明DIQKD可以成为一项实用技术。为了实现这一目标，研究人员需要证明这种方法在千米尺度上的可行性。他们还需要更快地生成密钥的方法。

参考文献：

[1]W. Z. Liu et al., “Toward a photonic demonstration of device-independent quantum key distribution,” Phys. Rev. Lett. 129, 050502 (2022).

[2]D. P. Nadlinger et al., “Experimental quantum key distribution certified by Bell’s theorem,” Nature 607, 682 (2022).

[3]W. Zhang et al., “A device-independent quantum key distribution system for distant users,” Nature 607, 687 (2022).

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编辑：六块钱的鱼