新型量子密钥分配系统提速,真正随机

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摘要:量子新法生成“真正随机”的数字 有助增强密码系统安全性 中科大实现基于人类自由意志的量子非定域性检验 5到10倍!新型量子密钥分配系统提速 加密技术大规模应用指日可待 科技

量子新法生成“真正随机”的数字 有助增强密码系统安全性

中科大实现基于人类自由意志的量子非定域性检验

5到10倍!新型量子密钥分配系统提速 加密技术大规模应用指日可待

科技日报北京4月12日电 据美国国家标准与技术研究院官网消息,该机构研究人员在12日出版的《自然》杂志上撰文指出,他们开发出一种新方法,可生成由量子力学保证的随机数字。新技术超越了此前获得随机数字的所有方法,得到了“真正的随机数字”,有助增强密码系统的安全性。

中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志、印娟、张强、陈宇翱等组成的研究团队,在国际上首次实验实现了基于人类自由意志和超高损耗下的贝尔不等式检验。他们在上述研究成果中,首先提出了基于人类自由意志、在地球-月球之间开展贝尔不等式检验的方案,发展了GHz亮度的纠缠源和高时间分辨探测系统,实现了超高损耗下的人类自由意志参与的贝尔不等式检验,该成果于4月5日发表在《物理评论快报》上;在此基础上,他们进一步与世界上多个研究小组合作,通过“大贝尔实验”(Big Bell Test)国际合作的方式,利用超过十万人的自由意志产生的随机数进行了量子非定域性检验,相关成果于5月10日发表在《自然》杂志上。

科技日报华盛顿11月25日电 美国研究人员于当地时间24日在《科学进展》杂志线上版发表论文称,他们开发出的一种新型量子密钥分配系统,能够以兆比特每秒的速率创建和分发加密码,比现有方法快5倍到10倍,即使同时运行多个系统,仍可与目前的互联网速度匹配。研究人员表示,新技术或使量子加密技术向大规模应用加速迈近。

随机数字非常有用,它每天被使用数千亿次来加密电子网络中的数据。但采用传统系统生成的数字不可能是真正随机的,因为传统的随机数字由软件和设备生成,这些软件和设备“先天不足”,且易受“噪音”等因素的影响,这意味着它们的输出无法达到真正的不可预测。

早在上世纪初量子力学刚刚建立不久,以爱因斯坦和玻尔为代表的两大阵营就开始了关于量子力学基础的争论。1964年,约翰•贝尔提出了一种可以区分量子力学与局域实在论孰对孰错的测试方法,即贝尔不等式。随后的几十年,大量的实验都证实了量子力学关于贝尔不等式的预言。但是这些实验并不能够完美满足贝尔不等式的假设条件,或多或少地存在一些漏洞,导致人们依然无法对这一争论进行最终判定。

密钥加密,需要收发数据的双方使用相同或对称的密钥对明文进行加密解密运算。随着计算能力的提升,目前广泛使用的RSA公钥密码算法会越来越容易被破解。而量子加密技术则被认为是未来保证网络通信安全的有力工具。量子加密技术利用了量子力学的基本原理——对量子态进行测量将会改变最初的量子态,来保证其安全性,窃密者的存在会导致误码出现,从而提醒收发双方存在安全漏洞。

NIST数学家彼特:比尔霍斯特进一步解释说:“诸如翻转硬币之类的情况似乎是随机的,但如果能看到硬币确切的下落路径,最终结果也是可以预测的。因此,很难保证给定经典来源真正不可预测。量子力学在产生随机性方面表现更好,量子随机是真正的随机,因为对处于‘叠加’状态的量子粒子进行测量,得到的结果基本上是不可预测的。”

此前诸多贝尔不等式实验分别关闭了两个被大家所熟知的漏洞:“定域性漏洞(locality loophole)”和“公平采样假设(fair-sampling assumption)”。但在这些实验中,使用的是量子随机数发生器产生的随机数,随机数的产生与纠缠的产生有可能在很久的过去被某个隐变量共同支配着,因而这种随机数可能受到隐变量控制而不能作为真正的随机性来源,通常被称之为“自由选择漏洞(measurement independence loophole)”。更普遍来说,所有利用地球上的仪器设备直接产生的随机数都无法被严格用来关闭该漏洞。自由意志(Free will)是哲学里的一个专业概念,使用人的自由意志来选择测量事件甚至用人来直接进行测量被认为是有希望彻底解决该问题的途径之一。

目前量子加密技术尚处于发展初级阶段,密钥传输速率很低,只有几十到几百千比特每秒,极大地影响了其实际应用。此次,杜克大学、俄亥俄州立大学和橡树岭国家实验室研究人员开发的新型量子密钥分配技术,虽与多数量子密钥分配系统一样,使用弱激光来编码单个光子信息,但通过调整光子相位和释放光子的时间,能将更多的信息添加到单个光子上。结合专门开发的高速接收机,新系统传输密钥的速度比目前其他系统快了5倍到10倍。

在最新研究中,NIST的科学家在被称为“贝尔测试”的过程中,利用激光产生的光子生成了随机数字。该方法使用强激光照射在特殊晶体上,晶体将光转换成纠缠的光子对,测量这些光子为研究人员提供了“真正随机”的数字。他们尝试了55次、110次、210次贝尔测试,每次用光子产生两个数字位,并从中提取出了1024个“真正随机”的数字位,这些数字为0和1的概率几乎一模一样。

潘建伟团队提出了一个基于人类自由意志,在地球-月球之间开展贝尔不等式检验的实验方案。由于人的反应时间在几百毫秒左右,为了让纠缠产生、基矢选择、探测测量等事件都满足类空间隔条件,用于选择测量基矢的实验者需要相距十万公里以上,远远大于地球直径。团队提出利用地球、月球和地月系统拉格朗日点来开展纠缠分发和贝尔不等式检验,如图所示。根据目前的技术水平,一对纠缠光子从L4点被分别发送到地球和月球上测量时,至少需要承受100dB以上的损耗,这对量子纠缠源的亮度提出了更高的要求。为此,研究团队研制了基于PPKTP晶体0型准相位匹配和Sagnac干涉环的量子纠缠源,在16mW的低泵浦功率下每秒可产生十亿对纠缠光子,亮度比以往实验中使用的纠缠源提高了两个数量级。

从理论上说,量子加密技术是完全安全的,任何侵入密钥交换的尝试都会很容易被接收方发现。但现实中,设备的局限性会导致漏洞存在,给黑客可乘之机。而研究人员证明,即使用可能导致漏洞出现的缺陷设备,该技术也可以避免常见的攻击。

其他研究人员以前也曾使用贝尔测试来生成随机数,但NIST的新方法首次弥补了贝尔测试中的“漏洞”,这些漏洞使非随机数字看起来随机。

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研究人员表示,虽然新系统的发射机需要一些特殊部件,但所有组件目前都可以在市场上买到。用光子编码的密钥可以通过现有光纤传送,发射机和接收机很容易集成到现有的网络基础设施中,因此这一新技术极有潜力推动量子加密技术的大规模使用。

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未来基于地月系统的Bell不等式检验方案示意图

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2014年,在发展使用全新超高亮度纠缠源技术的基础上,配合自主研发的高分辨时间-数字转换系统,研究团队在实验室中成功实现了超高损耗下的贝尔不等式检验。实验中纠缠光子对被分发到两个测量端,并模拟了总共103dB的超高损耗,每个测量端由实验者独立、随机地选择测量基矢,最终在关闭自由选择漏洞下观察到了贝尔不等式的违背,为未来在地月系统中开展量子非定域性的终极检验迈出了坚实的一步。

在此基础上,该团队随后与国际上10余个知名量子研究团队合作,开展 “大贝尔实验”(the Big Bell Test)。该实验召集到了世界各地超过十万名志愿者,所有志愿者在2016年11月30日当天,通过互联网和手机无线网络参加项目开发的网络实验。在实验中,所有志愿者都需要基于个人的自由意志不断地进行选择形成二进制随机数,并记录在互联网云端。这些随机数被实时和随机地发放给分布在世界各地的相关研究团队,用以控制这些研究团队的贝尔不等式检验实验,通过更多参与者的自由意志,在更广泛的范围内关闭了自由选择漏洞。

上述研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院、科技部和安徽省等的支持,在大贝尔实验志愿者召集方面得到了中国科学技术大学宣传部、墨子沙龙和腾讯视频的帮助。

(中科院量子信息与量子科技创新研究院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部)

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