利用量子纠缠“锁住”密码安全

密码学的艺术是巧妙地转换信息，使其对除了预期接收者之外的所有人都没有意义。现代密码方案，如支持数字商务的方案，通过要求对手执行消耗大量计算能力的数学运算来防止信息(如信用卡信息)的非法破译。

然而，自20世纪80年代以来，密码学引入了巧妙的理论概念，安全性不再依赖于窃听者有限的数字处理能力。相反，量子物理的基本定律限制了对手最终能截获多少信息。在这样的概念中，只有对所使用的物理设备做出一些一般性的假设，才能保证安全性。这种“设备无关”的方案已经被追捧了很久，但仍然遥不可及。

来自牛津大学、瑞士洛桑联邦理工学院、苏黎世联邦理工学院、日内瓦大学和法国原子能和替代能源委员会的国际研究团队在《自然》杂志上报道了此类协议的首次演示，从而朝着提供具有强安全性的实用设备迈出了决定性的一步。

钥匙是一个秘密

安全通信意味着保密信息。令人惊讶的是，在现实世界的应用程序中，合法用户之间的大多数交易都是公开进行的。关键是发送者和接收者不必隐藏他们的整个通信。

本质上，他们只需要分享一个“秘密”。这个秘密是一串位，称为加密密钥，它使每个拥有它的人能够将编码信息转换成有意义的信息。但问题是如何确保只有合法方共享密钥？

例如，在底层密码算法中，应用最广泛的密码系统之一RSA的密钥分发是基于一些数学函数易于计算但难以恢复的未经证实的猜想。更具体地说，RSA依赖于这样一个事实，即对于今天的计算机来说，很难找到一个大数的质因数，而对于它们来说，通过乘以已知的质因数可以很容易地得到那个数。所以数学难度保证了保密性。

然而，今天不可能的事情，将来可能很容易实现。众所周知，量子计算机比经典计算机更能有效地找到质因数。一旦使用了足够多量子位的量子计算机，RSA编码必然会变得可渗透。

量子理论不仅为破解数字商务的核心密码系统提供了基础，也为这一问题的潜在解决方案提供了基础。它是与RSA完全不同的密钥分发方式，与数学运算的执行难度无关，而是与物理基本定律有关。这种方法就是量子密钥分发(QKD)。

量子认证的安全性

1991年，出生于波兰的英国物理学家阿图尔埃克特(Artur eckert)在一篇开创性的论文中表明，可以直接利用量子系统的独特特性来确保密钥分发过程的安全性，但在经典物理中没有等价的特性，这就是量子纠缠。

量子纠缠是指在单个量子系统上进行的测量结果，它反映了某种类型的相关性。重要的是，两个系统之间的量子纠缠是排他的，因为没有其他东西可以与这些系统相关联。

在密码学的背景下，这意味着发送者和接收者可以通过纠缠量子系统在他们之间产生共享的结果，而第三方不能秘密地获得关于这些结果的任何信息。因为任何窃听都会留下明显的入侵痕迹。简而言之：多亏了量子理论，合法的政党可以以超出对手控制的方式相互交流。然而，在经典密码学中，等价的安全保证被证明是不可能的。

多年来，人们已经意识到基于埃克特思想的QKD方案有一个更明显的优势：用户只需要对过程中使用的设备做出非常笼统的假设。相比之下，基于其他基本原理的早期QKD形式需要详细了解所用设备的内部工作原理。QKD的新颖形式通常被称为“独立于设备的QKD”，其实验呈现已成为该领域的主要目标。现在，这个激动人心的突破性实验终于实现了。

从理论到实践的飞跃

这个实验涉及两个单离子，一个用于发射器，一个用于接收器，它们被限制在单独的阱中，阱连接到光纤链路。在这个基本的量子网络中，离子之间的纠缠可以在数百万次操作中以创纪录的高保真度产生。

没有这种持续的高质量纠缠源，协议就无法以有意义的方式运行。同样重要的是，要证明纠缠得到了恰当的利用，就要证明是否违反了贝尔不等式的条件。此外，为了有效地分析数据和提取密钥，我们需要在理论上取得很大的进步。

在实验中，“合法方”离子位于同一个实验室，但有一条清晰的路线可以将它们之间的距离延长到千米甚至更多。从这一点来看，再加上德国和中国在相关实验上取得的进展，将埃克特的理论概念转化为实用技术的前景是明确的。