中科大最新研發(fā)的光子掩蔽機到底是什么？唯一無條件安全保密系統(tǒng)，破解概率為零｜專訪

“我們的光子掩蔽機是基于單個光量子比特熔接門的，但是這里采用的方法也能夠掩蔽高維量子態(tài)。為此，我們可以像量子大數(shù)因數(shù)分解算法中的做法一樣，將每個量子位編碼到一個光子上，并獨立地掩蔽每個量子位。而且利用弱相干光也可以掩蔽單光子上所攜帶的量子信息?！闭劶皥F隊最新的研究成果，中國科技大學教授許金時告訴DeepTech。

“我們掩蔽的量子比特是以光速運動的飛行比特，因此在保密通訊等任務中具有其他系統(tǒng)不可替代的優(yōu)勢和良好的應用前景。目前，還沒有其他量子系統(tǒng)有相關的實驗研究。但是掩蔽操作也可以在其他系統(tǒng)上實現(xiàn)。” 許金時補充道。

相關研究論文，由中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、許金時等人，與上饒師范學院李波、梁曉斌、南開大學陳景靈合作，利用線性光學研究平臺，實驗實現(xiàn)了光量子信息的掩蔽，成功地將量子信息隱藏到非局域的量子糾纏態(tài)中。該成果 4 月 30 日發(fā)表在國際知名期刊《物理評論快報》上。

量子信息掩蔽 （quantum information masking） 是近期發(fā)展起來的一種量子信息處理協(xié)議，它將量子信息由單個量子載體完全轉移到多個載體間的量子糾纏態(tài)上，這樣一來，僅從單個載體上將提取不到任何信息。

已有的研究證明，不能實現(xiàn)對所有量子態(tài)都成立的量子信息掩蔽，幸運的是能夠實現(xiàn)掩蔽的量子態(tài)仍然是相當豐富的。

許金時和團隊發(fā)現(xiàn)，光學系統(tǒng)中的光子熔接門與掩蔽操作存在對應關系，通過構造光子熔接門，成功地實現(xiàn)了光子偏振態(tài)的量子信息掩蔽，把單光子攜帶的量子態(tài)隱藏到了兩光子的量子糾纏態(tài)中。

實驗結果表明糾纏態(tài)與理論值相比較，保真度達到 97.7%。該團隊進一步基于量子信息掩蔽實現(xiàn)了三方量子秘密共享，并用來完成簡單圖像的安全傳輸。

從量子通信到量子密碼術

“將量子信息隱藏到非局域的量子糾纏態(tài)中”，這是讓行內(nèi)人豎起大拇指的厲害成果，但對于外行人來說，上面這句話里，每個字都認識，但整句話卻像天書一樣難理解。

可要想明白什么是量子信息隱蔽，首先要理解什么是 “量子力學”，什么是 “非局域的量子糾纏” 等概念。

量子力學認為一個獨立于觀察者的世界是不存在的，所謂的現(xiàn)實在被觀察前都是不可描述的。量子力學在近一個世紀前，首次被發(fā)現(xiàn)時，它顛覆了人們此前對宇宙的兩個基本假設。

一個是客觀實在性（realism）—— 量子是一種物理學概念，是一種存在狀態(tài)，而不是存在本身。簡單來說，量子的本意是指微觀世界中 “一份一份” 的不連續(xù)能量。另一個是 “非局部性（non-locality）”。

在非局域性問題上，量子力學中的 “糾纏” 能允許處于一個時空的事件能瞬間影響處于另一個時空的事件。

在科學界的術語中，量子通信是一個廣泛的研究領域，包括量子密碼術、量子****傳態(tài)和本文中沒有介紹的 “超密編碼” 等等。

由于量子密碼術是近期最有希望應用于實踐的，因此當我們在談論 “量子通信” 的時候，我們通常指的是量子密碼術。作為量子信息的應用之一的 “量子密碼術”，也稱為 “量子保密通信” 或者 “量子密鑰分發(fā)”。

而量子信息掩蔽可以進一步實現(xiàn)待傳輸量子態(tài)的保護。

如何實現(xiàn)量子信息掩蔽？

基于量子通信的概念和量子密碼術的研究，量子信息掩蔽指的是，將一份量子信息完全轉移至多個量子實體的相互關聯(lián)中，從而從其中每個單獨的量子實體，都不能獲得被掩蔽信息的任何進一步知識。

而量子信息掩蔽，則是量子加密通信技術的良好開端。

如何判斷量子信息掩蔽是否成功呢？許金時告訴 DeepTech：“評判量子信息掩蔽成功的標準包括兩條內(nèi)容：一是被掩蔽的信息是否還能夠從多體關聯(lián)中被恢復，二是每個單獨量子實體的狀態(tài)是否完全與掩蔽前的信息無關。一次成功的量子信息掩蔽任務必須滿足上述兩項標準?！?/span>

在實驗過程中，該團隊主要關注的參數(shù)便刻畫了掩蔽過程是否滿足這兩項標準：一是掩蔽后的多體態(tài)與目標態(tài)的保真度，它表征了恢復出被掩蔽的量子信息的能力；二是掩蔽后每個單體狀態(tài)與目標態(tài)的距離，它表征了抵抗掩蔽后量子信息被從某個單體中竊取的能力。

除了上述的技術指標之外，可掩蔽集合的大小和掩蔽操作對應載體的數(shù)目也決定了量子信息掩蔽的實際應用范圍。

“實現(xiàn)量子信息掩蔽，需要把信息編碼到更高維的空間，使原先毫無關聯(lián)的量子實體之間出現(xiàn)糾纏?！?許金時補充道。

此外，許金時表示，量子信息掩蔽的實現(xiàn)方式有兩種：

一種是使用受控的量子門操作，例如根據(jù)信息被掩蔽前所在量子實體的狀態(tài)，對另一個受控量子比特施加一個可控的相位，輔以一些單體的演化，就可以實現(xiàn)量子信息掩蔽；

另一種是借助于量子干涉，直接把待掩蔽信息所在的量子實體與另一個種類相同的量子實體進行干涉，也可以達到掩蔽量子信息的效果。

“相比較而言，量子干涉法的成功率高出三倍以上，并且實現(xiàn)起來相對方便，因此在我們的工作中采用這種方法?！?許金時評價道。

量子信息掩蔽的將來

量子信息掩蔽需要高效的解密手段，信息掩蔽的質量并不會影響解密的難易度。

談及量子信息解碼，許金時說：“量子信息掩蔽需要高效的解密手段，一般地可以采取前饋控制和量子態(tài)層析的方法來解密。高質量的信息掩蔽不會對解密難以度產(chǎn)生影響，反而能夠保證掩蔽信息的安全性和解密的信息的一致性?！?/span>

“量子信息掩蔽解碼需要突破的點在于，目前，我們需要實現(xiàn)高質量的掩蔽和解碼操作，從而以更高的保真度隱藏和還原量子信息?！?許金時補充道。

當所有算法下的密碼可以被秒破，只有量子信息可以做到無條件安全。

談及量子信息掩蔽的實際應用，許金時認為，量子信息掩蔽到量子信息加密應用還有一定距離，“我們近期取得的工作成果原理性的演示。未來還要解決將加密信息傳得足夠遠，抵抗噪聲干擾等問題，從而使這項技術能夠取得更廣泛的實際應用?！?/span>