导读

最近，加拿大渥太华大学的科研人员通过自由空间光网络，在两座相距0.3千米的建筑之间，演示了四维量子加密。这次成功的实验表明，未来使用高容量、自由空间的量子通信，创建地基网络和卫星之间的安全通信链接将成为现实。

关键字

加密、量子、通信

背景

如今，各种数学算法用于加密文字、银行交易和健康信息。要破解这些加密信息，需要先搞清楚用于加密某一段数据的精确算法。目前来说，这么做非常有难度。但是，下一个十年左右的时间，随着计算机变得更加强大，破解加密信息有望变得更加简单。

考虑到未来这些现有的算法可能无法正常工作，所以科学界将更多的注意力用于研究更加强大的加密技术，例如量子密钥分配，使用光粒子的特性：量子态，编码和发送用于解码数据的密钥。

量子加密，一般是用光子编码量子比特信息。最简单的形式就是二维加密，每个光子编码一比特：要么是0，要么是1。科学家已经演示出单个光子可以编码更多的信息，这个概念也称为“高维量子加密”。

但是到目前为此，这个概念并未在现实世界中，通过自由空间光学通信的方式演示出来。例如，编码一个字母只需要八个比特位，那么让每个光子包含更多的信息将会显著加速数据传输。

创新

（图片来源：SQO团队，渥太华大学）

最近，加拿大渥太华大学的科研人员首次在城市上空发送了一条特殊的量子加密消息，这条消息中每个光子含有多于一个比特的信息。这次成功的演示表明，未来使用高容量、自由空间的量子通信，创建地基网络和卫星之间的安全通信链接将成为现实，这恰好也是构建全球量子加密网络的需求之一。

正如发表于《Optica》的论文中所描述，研究人员通过自由空间光网络，在渥太华大学的两座相距0.3千米的建筑之间，演示了四维量子加密。这种高维的加密机制被称为四维，是因为每个光子编码两个比特的信息，提供四种可能性：01、10、00、11。

除了每个光子可以发送更多的信息，在传输变得不安全之前，高维量子加密也可以容忍更多使信号变得模糊的噪声。这些噪声由于空气湍流、失效的电子设备、没有正常工作的检测器和拦截数据的尝试而产生。Karimi 表示：

“更高的噪音阈值意味着，当二维量子加密失败的时候，你可以尝试实现四维，因为它总体上更加安全并且更抗干扰。”

技术

（图片来源：SQO团队，渥太华大学）

尽管有线的和自由空间的量子加密已在某些小型、局域网络上部署，但是在全球范围内实施这种网络，就需要在连接国家和城市的地基站点和基于卫星的量子通信网络之间，发送加密信息。然而，空气中的水平测试可用于模拟向卫星发送信号，三千米的水平距离的效果差不多等于将信号通过地球大气层发往卫星。

在进行三千米测试之前，研究人员想要尝试能否在户外进行四维量子加密。这一点是非常具有挑战性的，因为这个领域的其他一些科学家称，类似的实验无法开展。任何自由空间实验期间，需要面对的另外一个主要问题就是空气湍流，它能够使得光信号失真。

为了展开这些测试，研究人员将实验室光学设备搬到了两个不同的屋顶上，用木箱覆盖它们进行一些保护。经过一些尝试和失误后，他们成功地利用四维量子加密，在城市内的链接之间发送加密消息。这些消息的错误率达11%，低于维持安全连接的阈值：19%。他们也通过四维和二维的比较发现，通过误差校正，他们通过四维量子加密，即使在扰动情况下，每个光子传输的信息量还是高1.6倍。

价值

研究团队领头人、加拿大渥太华大学教授 Ebrahim Karimi 表示：

“我们的研究首次在真实的城市环境中（包含扰动），使用高维量子加密的安全方式发送信息。这种安全的自由空间通信机制，未来将有可能建立起地球和卫星之间的潜在联系，安全地链接那些对于安装光纤来说太贵的地方，或者用于移动物体例之间的加密通信，如飞机。”

Karimi 实验室的研究生 Alicia Sit 称：

“通过将通常在干净的、与外界隔绝的实验室中使用的设备，带到暴露于外界环境中且没有隔振的屋顶上，观察到的结果让人非常有收获，表明我们可以进行安全的数据传输。”

未来

下一步，研究人员正计划将该机制实现到包含3个连接，相互距离5.6千米的网络中，并且使用一种称为“自适应光学”的技术对于扰动进行补偿。最终，他们想要将这个网络和城市中现有的网络相互链接。Sit 说：

“我们的长期目标就是实现多个链接中的量子通信网络，但是使用超过四维同时尝试避免扰动。”

参考资料

【1】http://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2017/high-dimensional_quantum_encryption_performed_in_r/?feed=osanews

【2】A. Sit, F. Bouchard, R. Fickler, J. Gagnon-Bischoff, H. Larocque, K. Heshami, D. Elser, C. Peuntinger, K. Günthner, B. Heim, C. Marquardt, G. Leuchs, R. W. Boyd, E. Karimi. “High-Dimensional Intra-City Quantum Cryptography with Structured Photons,” Optica, Volume 4, Issue 9, 1006-1010 (2017). DOI: 10.1364/optica.4.001006

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