在真实城市的上空,首次实现了高维量子加密消息的成功传送

在真实城市的上空,首次实现了高维量子加密消息的成功传送

前情提要

第一次,研究人员在真实城市的上空,成功发送了一个4D量子加密的消息,每个光子包含超过一比特的信息。这意味着,不远的将来,人类大概能够创建一个全局量子加密网络,利用高容量的、自由空间的量子通信,在地面网络和卫星之间建立高度安全的连接。

技术简介

量子加密利用光子(以量子比特的形式)对信息进行编码。其最简单的形式,被称为2D加密,即每个光子编码一个比特位:0或1。科学家们已经证明,单个光子可以编码更多的信息,即“高维量子加密”的概念。但到目前为止,高维量子加密在现实世界中从未被证实过。如果能够将更多的信息存储到一个光子中(如一个光子包含8个比特位),这无疑会大大地加快数据传输速度。

加拿大渥太华大学研究小组的负责人EbrahimKarimi说:“我们的工作成果是使用高维量子加密,首次以安全的方式在现实的城市环境中发送信息,将空气湍流的影响也考虑在内了。使用这种安全的、自由空间的通信方案能够把地球和卫星连接起来,还可以在那些安装光纤代价太昂贵的地方实现安全通信,或者用来与移动物体(如飞机)进行加密通信。”

研究人员在自由空间光子网络上演示了4D量子加密,该网络跨越了渥太华大学的两座相距0.3公里的建筑物。这种高维加密方案之所以被称为4D,是因为每个光子编码两个比特的信息,提供01, 10、00或11这四种可能性。

除了每个光子能够传送更多的信息这一优势外,高维量子加密也可以容忍更多的信号干扰噪声,这些噪声容易导致传输变得不安全,噪音可能来自湍流空气、失效的电子设备、不正常工作的探测器以及外部拦截数据的企图。Karimi说“这意味着当2D量子加密失败,你可以尝试有更高的噪声阈值的4D量子加密,原则上,4D的抗噪音能力更强,也更安全”。

用光加密

如今,数学算法被用来加密文本消息、银行交易等信息。拦截这些加密的信息需要计算出被用于加密指定数据的精确算法,对于强加密算法,目前计算机的运算能力很难在有效时间内完成破译的工作,但随着计算机功能的增强,预计在未来十年内将变得更容易。

研究人员假定目前的加密算法无法胜任未来的安全需求,因而更多的关注更强的加密技术,如量子密钥分配,它使用被称为量子态的光粒子的特性来编码和发送解密编码数据所需的密钥。

在一些小型的本地网络上已经部署了有线的、自由空间的量子加密,而在全球范围内实施它则需要在地面站和基于卫星的量子通信网络之间发送加密信息,这些网络将连接不同的城市和国家。通过空气中的水平测试,可以用来模拟向卫星发送信号,城市上空约三公里的水平大致相当于通过地球大气层向卫星发送信号。

在进行三公里的测试之前,研究人员想知道是否可能在外部执行4D量子加密。这是具有挑战性的任务,其他领域的科学家认为这个实验是行不通的。在任何自由空间实验中所面临的主要问题之一是处理空气湍流,它会扰乱光信号。

现实世界的测试

为了测试,研究人员把他们实验室的光学装置带到了两个不同的屋顶上,并用木箱遮盖以提供一些的保护。经过大量失败和错误的试验之后,他们最终成功实现了在现实世界用4D量子加密传送受保护的消息。这些消息的错误率为11%,低于维护安全连接所需的19%的阈值。此外,研究人员还比较了4D加密和2D,发现误差校正后,即使是存在空气湍流,使用4D加密时每光子传输的信息是2D加密的1.6倍以上。

“这些实验设备通常都在干净的、隔离的实验室环境中被使用,现在将它们暴露在没有隔离措施的屋顶上,能成功的传输安全数据,这个结果是非常有意义的。”Karimi实验室的一名本科生Alicia Sit说到。

下一步,研究人员正计划把这套机制部署到一个网络中,这个网络包含3条相距约5.6公里的链路,使用一种被称为自适应光学的技术来补偿湍流。研究人员的想把这个网络和一个真实的城市联系起来。

Sit说:“我们的长期目标是使用4维以上的量子加密,实现一个多链路的量子通信网络。”

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