中国科学家首次实现量子安全直接通信网络 可直接传输机密信息
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中国科学家首次实现量子安全直接通信网络 可直接传输机密信息

2021年09月28日 20:55:03
来源:DeepTech

基于量子信息高安全性的属性,全世界量子相关领域的科学研究者皆在争相突破该技术难题。

由此,量子密钥分发、量子隐形传态、量子安全直接通信等多种通信模型相继问世,量子通信在安全通信领域迈出了革命性的一步。

图|量子通信(来源:Pixabay)

图|量子通信(来源:Pixabay)

近日,上海交通大学陈险峰团队与江西师范大学李渊华等人合作,在量子通信网络方面取得最新进展: 他们首次提出了一种远距离量子安全直接通信网络,并且在实验中证明了它的可行性。

该研究成果实现了基于时间-能量纠缠和和频的 15 用户量子安全直接通信(Quantum Secure DirectCommunication,QSDC)网络,该网络可使任意两个用户在 40 公里以上的光纤上完成量子安全直接通信,通信后的纠缠态保真度仍然大于 95% 这对未来构建大规模的光纤量子网络具有重要的意义。

9 月 14 日,相关论文以《 15 用户的量子安全直接通信网络》(A 15-user quantum secure direct communication network)为题发表在 Light Science & Applications 上。

图|相关论文(来源:Light Science &Applications)

图|相关论文(来源:Light Science &Applications)

由上海交通大学物理与天文学院博士戚展彤、黄义文担任共同第一作者,上海交通大学物理与天文学院教授陈险峰担任通讯作者,并且江西师范大学物理与通信电子学院教授李渊华也是该论文的共同第一作者及通讯作者。

图|陈险峰团队部分成员(来源:受访者)

图|陈险峰团队部分成员(来源:受访者)

纠缠的量子安全直接通信具备直接传输机密信息的特点,其缺陷同样也很明显,它无法同时区分四组编码纠缠状态,进而限制了其实际应用。

曾在 2000 年,清华大学物理系教授龙桂鲁等人提出了量子安全直接通信协议,之后该协议相对简单的通信步骤又被提出,这一通信方法减少了潜在的安全漏洞,并提供了高的安全保证,保障了量子通信的安全性和实用性。

在此背景下,该团队提出并实验实现了 15 个用户 QSDC 网络,通过构建量子网络来实现多用户互联,量子网络通信的安全由量子纠缠的性质得到保证,窃听者每一次只能在纠缠粒子体系中窃取一部分信息, 无法获取到纠缠光子对的全部状态, 从而保证了信息不泄露,可实现任意两个用户可以在量子网络中进行 QSDC 过程。

首次实现网络中15个用户之间的量子安全直接通信

如果任意两个用户想要直接通信,首先两个用户将共享 N 对由网络处理中心分发的时间-能量纠缠态,在检测量子纠缠信道完全安全后,双方规定四种贝尔态分别编码为 00,01,10 和 11 ,其中一个用户对自己持有的光子分别做四种幺正操作,来实现 40 公里编码过程,分别对应四种编码。

另外,需要与之通信的用户,可以通过和频这一非线性过程实现贝尔态测量来区分四个编码的贝尔态,完成信息解码,从而让每两个用户之间进行安全通信。

图|量子安全直接通信网络示意图(来源:Light Science & Applications)

图|量子安全直接通信网络示意图(来源:Light Science & Applications)

网络处理中心将控制连接中五个子网和 15 个用户,通过产生单光子源并分到 30 个国际电信联盟通道中,利用时分复用和密集波分复用的方法,分发 15 对纠缠光子对,用户可以通过操作自己的波长通道,来实现与其他用户之间的 40 公里 QSDC 两步传输过程。

该研究成果最大的亮点是, 利用非线性频率转换的方法,通信过程中不需要经过后选择过程就可以同时区分四个贝尔态。

然而,该研究成果仍然局限于小型网络用户中,如果将来大规模量子网络通信可以规模化使用,则会有更大的应用价值。

量子通道可直接传输机密信息,防非法分子窃听

当谈及 “窃听” 时,人们更多想到的是知名电影《窃听风云》里的经典片段,然而电影中类的的情节很有可能就在发生在人们的身边。

图|商业窃听案例(来源:CCTV2 新闻视频截图)

图|商业窃听案例(来源:CCTV2 新闻视频截图)

随着高精尖技术的进一步突破,这些技术一旦被非法分子利用,用于商业诈骗,将会给人们带来极其严重的经济损失,那么如何保证信息传递的安全性、隐蔽性至关重要,该研究成果的另一亮点便是保证 “信息通信安全”。

而 QSDC 信息传输的安全性和可靠性是量子网络中必不可少的部分。

陈险峰向 DeepTech 表示:“在直接通信之前,我们会首先在网络中对 QSDC 进行第一步安全性检测,在确定可用于传输信息的量子信道安全后,再进行用户之间的安全通信过程。对此,我们团队在 QSDC 中实现了逐步传输过程,并估计了双方通信量子信道的安全容量。”

图|陈险峰团队实验图(来源:受访者)

图|陈险峰团队实验图(来源:受访者)

在确认量子信道的安全性后,用户在通信网络中可靠地进行编码或解码操作、传递信息,他们可以根据“误码率”来判断量子信道中的安全传输容量。 如果安全传输容量低于安全阈值,通信就会立即终止,如果安全传输容量在阈值内,则进行第二步,用户间开始直接通信,这样这 15 个用户之间就可以安全地直接传输机密信息。

此外,QSDC 网络不仅可以提高量子通信的安全性,还可以提高其通信传输质量。量子网络通信的安全主要由量子纠缠的性质保证,一旦被不法分子窃听,窃听者每次只能窃取纠缠粒子体系的一部分, 得不到纠缠光子对的整体状态, 从而保证了信息不泄露。

在量子网络中,用户通过和频这一非线性过程来进行解码过程,误码率低,传输信息准确。

图|试验装置(来源:Light Science & Applications)

图|试验装置(来源:Light Science & Applications)

在这项研究成果中,有四个亮点值得关注,一是在 15 个用户的量子纠缠网络中实现了 QSDC 过程,二是在网络中可以同时区分四组编码的正交纠缠状态,这无疑也增加了 QSDC 在纠缠网络中的推广应用,三是两两用户经过频率转换后的纠缠态保真度大于 95% ,四是在 QSDC 过程中,信息传输距离达到 40 公里。

该研究日后可能可以解决行业中的通信过程中的问题,简化信息传输步骤。

量子与 AI 相结合将进一步推动精密测量等成果的发展

在通信网络中,根据和频(Sum Frequency Generation,SFG)光子的产生速率,该团队可以在网络通信时实现更快的传输速率。很重要的一点是,要提高符合事件计数率,这就需要提高探测器的效率和性能。

除了测量中的噪声影响外,偏振调制器的调制速率和探测器的响应速度也会限制传输速率并增加偶然符合计数率。

“考虑到网络架构的总损耗,我们暂时将单光子调制的速率设置为 1 kHz,以观察调制结果。如果需要更好地提高传输速率,网络中可以根据产生的 SFG 光子的数量获得信息传输速率,通过提高器件的性能来达到更快的传输速率。” 陈险峰向 DeepTech 表示。

图|试验结果(来源:Light Science & Applications)

图|试验结果(来源:Light Science & Applications)

从整个行业角度来看,国家领导人在座谈会上强调:“ AI 是新时代科技革命和产业变革的重要驱动力量,量子科技是当下备受瞩目的前沿技术领域。”如果两者可以融合发展,非常有可能碰撞出新火花,比如以深度学习框架为代表的人工智能技术有望与量子通信、量子测量等过程相结合。

伴随着量子信息等高科技的蓬勃发展,量子计算及通信领域,精确机算等方面的崭新成果也将会逐步融入人工智能的技术发展和应用中,该研究日后可能可以解决行业中的通信过程中的问题,简化信息传输步骤。

图|量子计算(来源:Pixabay)

图|量子计算(来源:Pixabay)

另外,6G 领域也方兴未艾,8 月 19 日,韩国 LG 电子公司在露天的户外建筑之间进行了 6G 信号传输测试,传输距离超过 100 米。

6G 无线通信网络的使能技术、新方式的转变和未来研究方向也给 QSDC 带来了新的挑战与机遇,如果在 QSDC 网络中可以引入了新的 6G 性能指标和应用场景,例如提供全世界覆盖、增强的频谱、能源,更高的智能水平、弹性和安全性等,或许能将量子网络通信更好的推广并应用。

据悉,该团队目前已经在实验室证明了他们所提出的 QSDC 网络的可行性,该通信网络的规模化和商业化时间,完全就取决于研究经费和研究人力的投入。

因为热爱所以选择,专注量子安全直接通信网络研究

选择科研,就等于选择了一条艰难的路,科研日常的困难与挫折接踵而来,面对诸多挑战李渊华经常问反问自己,问题究竟出在哪里,排除外界干扰一心一意专攻难题,坚信只要坚持总能找到解决问题的答案。

谈及缘何选择目前的科研方向时,李渊华告诉 DeepTech :“主要是基于热爱,其次是机遇。我最大的成就感是在科学研究的过程中,迎难而上最终登上科研高峰的时刻,每当我所涉及的科学研究获得突破性进展时,就觉得不仅为该科学领域做出了一份贡献,还将推动科学领域的发展与前进。”

图|李渊华(来源:受访者)

图|李渊华(来源:受访者)

该团队下一步研究方向将会持续聚集于量子直接通信网络研究,同时将这一方案应用于量子隐形传态等实验中。

基于纠缠网络的量子安全直接通信还可以用于多个网络的互联,在网络结构中设置量子中继器,互联多个处于不同地域的网络,并应用基于级联和频和差频过程实现纠缠光子对频率转换,以实现大规模的量子安全直接通信网络。