全球首個城市條件中的四維量子加密試驗成功！

導讀

最近，加拿大渥太華大學的科研人員通過自由空間光網路，在兩座相距0.3千米的建築之間，演示了四維量子加密。這次成功的實驗表明，未來使用高容量、自由空間的量子通信，創建地基網路和衛星之間的安全通信鏈接將成為現實。

關鍵字

加密、量子、通信

背景

如今，各種數學演算法用於加密文字、銀行交易和健康信息。要破解這些加密信息，需要先搞清楚用於加密某一段數據的精確演算法。目前來說，這麼做非常有難度。但是，下一個十年左右的時間，隨著計算機變得更加強大，破解加密信息有望變得更加簡單。

考慮到未來這些現有的演算法可能無法正常工作，所以科學界將更多的注意力用於研究更加強大的加密技術，例如量子密鑰分配，使用光粒子的特性：量子態，編碼和發送用於解碼數據的密鑰。

量子加密，一般是用光子編碼量子比特信息。最簡單的形式就是二維加密，每個光子編碼一比特：要麼是0，要麼是1。科學家已經演示出單個光子可以編碼更多的信息，這個概念也稱為「高維量子加密」。

但是到目前為此，這個概念並未在現實世界中，通過自由空間光學通信的方式演示出來。例如，編碼一個字母只需要八個比特位，那麼讓每個光子包含更多的信息將會顯著加速數據傳輸。

創新

（圖片來源：SQO團隊，渥太華大學）

最近，加拿大渥太華大學的科研人員首次在城市上空發送了一條特殊的量子加密消息，這條消息中每個光子含有多於一個比特的信息。這次成功的演示表明，未來使用高容量、自由空間的量子通信，創建地基網路和衛星之間的安全通信鏈接將成為現實，這恰好也是構建全球量子加密網路的需求之一。

正如發表於《Optica》的論文中所描述，研究人員通過自由空間光網路，在渥太華大學的兩座相距0.3千米的建築之間，演示了四維量子加密。這種高維的加密機制被稱為四維，是因為每個光子編碼兩個比特的信息，提供四種可能性：01、10、00、11。

除了每個光子可以發送更多的信息，在傳輸變得不安全之前，高維量子加密也可以容忍更多使信號變得模糊的雜訊。這些雜訊由於空氣湍流、失效的電子設備、沒有正常工作的檢測器和攔截數據的嘗試而產生。Karimi 表示：

「更高的噪音閾值意味著，當二維量子加密失敗的時候，你可以嘗試實現四維，因為它總體上更加安全並且更抗干擾。」

技術

（圖片來源：SQO團隊，渥太華大學）

儘管有線的和自由空間的量子加密已在某些小型、區域網絡上部署，但是在全球範圍內實施這種網路，就需要在連接國家和城市的地基站點和基於衛星的量子通信網路之間，發送加密信息。然而，空氣中的水平測試可用於模擬向衛星發送信號，三千米的水平距離的效果差不多等於將信號通過地球大氣層發往衛星。

在進行三千米測試之前，研究人員想要嘗試能否在戶外進行四維量子加密。這一點是非常具有挑戰性的，因為這個領域的其他一些科學家稱，類似的實驗無法開展。任何自由空間實驗期間，需要面對的另外一個主要問題就是空氣湍流，它能夠使得光信號失真。

為了展開這些測試，研究人員將實驗室光學設備搬到了兩個不同的屋頂上，用木箱覆蓋它們進行一些保護。經過一些嘗試和失誤后，他們成功地利用四維量子加密，在城市內的鏈接之間發送加密消息。這些消息的錯誤率達11%，低於維持安全連接的閾值：19%。他們也通過四維和二維的比較發現，通過誤差校正，他們通過四維量子加密，即使在擾動情況下，每個光子傳輸的信息量還是高1.6倍。

價值

研究團隊領頭人、加拿大渥太華大學教授 Ebrahim Karimi 表示：

「我們的研究首次在真實的城市環境中（包含擾動），使用高維量子加密的安全方式發送信息。這種安全的自由空間通信機制，未來將有可能建立起地球和衛星之間的潛在聯繫，安全地鏈接那些對於安裝光纖來說太貴的地方，或者用於移動物體例之間的加密通信，如飛機。」

Karimi 實驗室的研究所 Alicia Sit 稱：

「通過將通常在乾淨的、與外界隔絕的實驗室中使用的設備，帶到暴露於外界環境中且沒有隔振的屋頂上，觀察到的結果讓人非常有收穫，表明我們可以進行安全的數據傳輸。」

未來

下一步，研究人員正計劃將該機制實現到包含3個連接，相互距離5.6千米的網路中，並且使用一種稱為「自適應光學」的技術對於擾動進行補償。最終，他們想要將這個網路和城市中現有的網路相互鏈接。Sit 說：

「我們的長期目標就是實現多個鏈接中的量子通信網路，但是使用超過四維同時嘗試避免擾動。」

參考資料

【1】http://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2017/high-dimensional_quantum_encryption_performed_in_r/?feed=osanews

【2】A. Sit, F. Bouchard, R. Fickler, J. Gagnon-Bischoff, H. Larocque, K. Heshami, D. Elser, C. Peuntinger, K. Günthner, B. Heim, C. Marquardt, G. Leuchs, R. W. Boyd, E. Karimi. 「High-Dimensional Intra-City Quantum Cryptography with Structured Photons,」 Optica, Volume 4, Issue 9, 1006-1010 (2017). DOI: 10.1364/optica.4.001006

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