高速量子加密互联网——未来黑科技来自俄亥俄州立大学、杜克大学和橡树岭

源 | Rankred 译 | 刘恒

今年7月，中国推出了世界上第一个量子通讯和文件共享服务。但是现在，来自俄亥俄州立大学、杜克大学和橡树岭国家实验室的研究人员发明了一种新的系统，它可以创建和传输量子密钥，速度比现有技术快10倍。

在过去的十年中，量子计算技术已经取得了许多进步，但是很快这可能使黑客能够访问那些功能足够强大的机器，甚至用以打破互联网最高安全标准。也就是说，服务器上的所有银行交易，密码和关键数据都会很容易受到攻击。

为了应对这些未来的威胁，科学家们正在使用量子数据加密努力实现同样先进的量子技术，使系统理论上来说可以预防黑客。到目前为止，他们已经在每秒兆位速率分布的量子加密代码取得重大进展。

现有系统存在问题

量子密钥分配（Quantum Key Distribution，QKD）按照量子力学的基本特性之一即分析像质子或电子这样的单一物质会改变其性质那样运作。在安全系统中，这个功能可用于立即对授权的发送方和接收方发出安全漏洞警告。

QKD的概念并不新鲜，于1984年首次推出，现在大规模的应用正在现实世界中实现。例如，中国通过一颗卫星在相距1,200公里的两个地面基站之间传送了一个量子密钥。一些欧洲公司已经开始销售用于QKD的激光系统。

然而，这些系统的主要限制之一是它们以每秒10到100千比特之间的低速率发送密钥。以这些速率，系统不能用于如视频流或电话的实际应用之中。

量子密码学的新阶段

高速传输背后的秘密在于将更多的数据放在光子中，并将其与探测率超过70％，抖动小于40皮秒的高速检测器相结合。

这是通过调节光子的相位特性和光子释放的时间来实现的。这使得科学家能够在每个光子中编码2位数据，而不仅仅是1位。

然后，将这些光子与高速检测器配对使其系统发送编码数据的速度比其他技术快5到10倍。使用这种技术的多个系统并行运行以产生当前的互联网速度，其速度足以承载电话交谈或低质量的视频流。

这种技术足够安全吗？

理想情况下，任何试图破坏安全性的尝试都会留下传输错误，而接收端和发送端可以毫不费力地检测到这些错误。但是在现实世界里我们没有完美的设备，这可能会产生一些攻击者可以利用的漏洞。

科学家们彻底分析了他们在实验中使用的所有设备的缺点。他们努力将这些缺陷纳入理论，以确保系统安全。

除了单光子探测器之外，实验中使用的所有部件都可以在市场上买到。光子可以通过光缆传输，这使得将设备（如发射机和接收机）集成到现有基础设施中非常容易。此外，它还可以扩展到自由空间量子信道。

据研究人员的说，整个系统经过一些修改可以制作成适合普通CPU规格的盒子。该方法对相干攻击是有效的，并且检测到系统中大量的实验缺陷。

实验装置和技术细节

量子光子态由频率稳定的连续激光器产生，工作在1550纳米。它通过一个调相器和3个强度调制器。完整的装置由串行模式发生器（采用现场可编程门阵列设计）控制，工作时钟频率为10 GHz。

参考文献：ScienceAdvance的研究文章：QKD与时间束缚（QKD with time-bin qudits）

正弦波发生器锁相到现场可编程门阵列（FPGA），工作在5 GHz的速率，驱动一个产生66皮秒的周期光脉冲强度调制器。这些光脉冲通过现场可编程门阵列模式发生器驱动的强度调制器（图中标记为IM1），以便为相位状态或时间段定义数据模式。

第二强度调制器（IM 2）由独立的现场可编程门阵列通道驱动，负责调整相位幅度以及诱骗态。最终，它通过一个也是由现场可编程门阵列驱动的相位调制器（PM），用于编码不同的相位状态。

选择概率为0.1和0.9的相位基和时间仓基。衰减器（ATT）用以将状态水平降低到单光子水平。还有一个衰减器可以用来模拟量子信道损耗。

在接收端，输入信号被一个分束器分开，该分束器将10％的状态指向相位基准系统，90％指向时间基准测量系统。超导纳米线单光子探测器都可用于这两个测量基。数字转换器通过公共信道与接收机的时钟同步，以50皮秒的分辨率捕获检测结果。

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译者 | 刘恒

现通信与信息系统专业。一个热爱AI的初级码农研究僧。

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