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中科大最新研发的光子掩蔽机到底是什么?唯一无条件安全保密系统,破解概率为零|专访

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DeepTech深科技 2021-05-08 22:37

“我们的光子掩蔽机是基于单个光量子比特熔接门的,但是这里采用的方法也能够掩蔽高维量子态。为此,我们可以像量子大数因数分解算法中的做法一样,将每个量子位编码到一个光子上,并独立地掩蔽每个量子位。而且利用弱相干光也可以掩蔽单光子上所携带的量子信息。”谈及团队最新的研究成果,中国科技大学教授许金时告诉DeepTech。

“我们掩蔽的量子比特是以光速运动的飞行比特,因此在保密通讯等任务中具有其他系统不可替代的优势和良好的应用前景。目前,还没有其他量子系统有相关的实验研究。但是掩蔽操作也可以在其他系统上实现。” 许金时补充道。

相关研究论文,由中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、许金时等人,与上饶师范学院李波、梁晓斌、南开大学陈景灵合作,利用线性光学研究平台,实验实现了光量子信息的掩蔽,成功地将量子信息隐藏到非局域的量子纠缠态中。该成果 4 月 30 日发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。

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图 | 相关论文(来源:journals.aps)

量子信息掩蔽 (quantum information masking) 是近期发展起来的一种量子信息处理协议,它将量子信息由单个量子载体完全转移到多个载体间的量子纠缠态上,这样一来,仅从单个载体上将提取不到任何信息。

已有的研究证明,不能实现对所有量子态都成立的量子信息掩蔽,幸运的是能够实现掩蔽的量子态仍然是相当丰富的。

许金时和团队发现,光学系统中的光子熔接门与掩蔽操作存在对应关系,通过构造光子熔接门,成功地实现了光子偏振态的量子信息掩蔽,把单光子携带的量子态隐藏到了两光子的量子纠缠态中。

实验结果表明纠缠态与理论值相比较,保真度达到 97.7%。该团队进一步基于量子信息掩蔽实现了三方量子秘密共享,并用来完成简单图像的安全传输。

图 | 量子信息掩蔽的工作原理和实验实现:(a)逻辑线路图;(b)实验装置图 (来源:受访者)

从量子通信到量子密码术

“将量子信息隐藏到非局域的量子纠缠态中”,这是让行内人竖起大拇指的厉害成果,但对于外行人来说,上面这句话里,每个字都认识,但整句话却像天书一样难理解。

可要想明白什么是量子信息隐蔽,首先要理解什么是 “量子力学”,什么是 “非局域的量子纠缠” 等概念。

图 | 量子物理学(来源:Pixabay)

量子力学认为一个独立于观察者的世界是不存在的,所谓的现实在被观察前都是不可描述的。量子力学在近一个世纪前,首次被发现时,它颠覆了人们此前对宇宙的两个基本假设。

一个是客观实在性(realism)—— 量子是一种物理学概念,是一种存在状态,而不是存在本身。简单来说,量子的本意是指微观世界中 “一份一份” 的不连续能量。另一个是 “非局部性(non-locality)”。

在非局域性问题上,量子力学中的 “纠缠” 能允许处于一个时空的事件能瞬间影响处于另一个时空的事件。

图 | 量子纠缠(来源:aomi365.com)

在科学界的术语中,量子通信是一个广泛的研究领域,包括量子密码术、量子隐形传态和本文中没有介绍的 “超密编码” 等等。

由于量子密码术是近期最有希望应用于实践的,因此当我们在谈论 “量子通信” 的时候,我们通常指的是量子密码术。作为量子信息的应用之一的 “量子密码术”,也称为 “量子保密通信” 或者 “量子密钥分发”。

而量子信息掩蔽可以进一步实现待传输量子态的保护。

如何实现量子信息掩蔽?

基于量子通信的概念和量子密码术的研究,量子信息掩蔽指的是,将一份量子信息完全转移至多个量子实体的相互关联中,从而从其中每个单独的量子实体,都不能获得被掩蔽信息的任何进一步知识。

图 | 量子通信 (来源:sina.com)

而量子信息掩蔽,则是量子加密通信技术的良好开端。

如何判断量子信息掩蔽是否成功呢?许金时告诉 DeepTech:“评判量子信息掩蔽成功的标准包括两条内容:一是被掩蔽的信息是否还能够从多体关联中被恢复,二是每个单独量子实体的状态是否完全与掩蔽前的信息无关。一次成功的量子信息掩蔽任务必须满足上述两项标准。”

在实验过程中,该团队主要关注的参数便刻画了掩蔽过程是否满足这两项标准:一是掩蔽后的多体态与目标态的保真度,它表征了恢复出被掩蔽的量子信息的能力;二是掩蔽后每个单体状态与目标态的距离,它表征了抵抗掩蔽后量子信息被从某个单体中窃取的能力。

除了上述的技术指标之外,可掩蔽集合的大小和掩蔽操作对应载体的数目也决定了量子信息掩蔽的实际应用范围。

“实现量子信息掩蔽,需要把信息编码到更高维的空间,使原先毫无关联的量子实体之间出现纠缠。” 许金时补充道。

图 | 量子比特磁盘的掩蔽(来源:受访者)

此外,许金时表示,量子信息掩蔽的实现方式有两种:

一种是使用受控的量子门操作,例如根据信息被掩蔽前所在量子实体的状态,对另一个受控量子比特施加一个可控的相位,辅以一些单体的演化,就可以实现量子信息掩蔽;

另一种是借助于量子干涉,直接把待掩蔽信息所在的量子实体与另一个种类相同的量子实体进行干涉,也可以达到掩蔽量子信息的效果。

“相比较而言,量子干涉法的成功率高出三倍以上,并且实现起来相对方便,因此在我们的工作中采用这种方法。” 许金时评价道。

图 | 可屏蔽集的零测度(来源:受访者)

量子信息掩蔽的将来:绝对安全,破解可能性为 0

量子信息掩蔽需要高效的解密手段,信息掩蔽的质量并不会影响解密的难易度。

谈及量子信息解码,许金时说:“量子信息掩蔽需要高效的解密手段,一般地可以采取前馈控制和量子态层析的方法来解密。高质量的信息掩蔽不会对解密难易度产生影响,反而能够保证掩蔽信息的安全性和解密的信息的一致性。”

“量子信息掩蔽解码需要突破的点在于,目前,我们需要实现高质量的掩蔽和解码操作,从而以更高的保真度隐藏和还原量子信息。” 许金时补充道。

图 | 量子信息掩蔽的应用 (来源:受访者)

当所有算法下的密码可以被秒破,只有量子信息可以做到无条件安全。

图 | 加密(来源:Pixabay)

谈及量子信息掩蔽的实际应用,许金时认为,量子信息掩蔽到量子信息加密应用还有一定距离,“我们近期取得的工作成果原理性的演示。未来还要解决将加密信息传得足够远,抵抗噪声干扰等问题,从而使这项技术能够取得更广泛的实际应用。”

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