中科大最新研發(fā)的光子掩蔽機(jī)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(jī)是基于單個(gè)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(gè)量子位編碼到一個(gè)光子上，并獨(dú)立地掩蔽每個(gè)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(tuán)隊(duì)最新的研究成果，中國科技大學(xué)教授許金時(shí)告訴DeepTech。

“我們掩蔽的量子比特是以光速運(yùn)動(dòng)的飛行比特，因此在保密通訊等任務(wù)中具有其他系統(tǒng)不可替代的優(yōu)勢(shì)和良好的應(yīng)用前景。目前，還沒有其他量子系統(tǒng)有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。但是掩蔽操作也可以在其他系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)?！?許金時(shí)補(bǔ)充道。

相關(guān)研究論文，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒、許金時(shí)等人，與上饒師范學(xué)院李波、梁曉斌、南開大學(xué)陳景靈合作，利用線性光學(xué)研究平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)實(shí)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(píng)論快報(bào)》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(gè)量子載體完全轉(zhuǎn)移到多個(gè)載體間的量子糾纏態(tài)上，這樣一來，僅從單個(gè)載體上將提取不到任何信息。

已有的研究證明，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)所有量子態(tài)都成立的量子信息掩蔽，幸運(yùn)的是能夠?qū)崿F(xiàn)掩蔽的量子態(tài)仍然是相當(dāng)豐富的。

許金時(shí)和團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，光學(xué)系統(tǒng)中的光子熔接門與掩蔽操作存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過構(gòu)造光子熔接門，成功地實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明糾纏態(tài)與理論值相比較，保真度達(dá)到 97.7%。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步基于量子信息掩蔽實(shí)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(shù)

“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(duì)于外行人來說，上面這句話里，每個(gè)字都認(rèn)識(shí)，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(xué)”，什么是 “非局域的量子糾纏” 等概念。

量子力學(xué)認(rèn)為一個(gè)獨(dú)立于觀察者的世界是不存在的，所謂的現(xiàn)實(shí)在被觀察前都是不可描述的。量子力學(xué)在近一個(gè)世紀(jì)前，首次被發(fā)現(xiàn)時(shí)，它顛覆了人們此前對(duì)宇宙的兩個(gè)基本假設(shè)。

一個(gè)是客觀實(shí)在性（realism）—— 量子是一種物理學(xué)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(gè)是 “非局部性（non-locality）”。

在非局域性問題上，量子力學(xué)中的 “糾纏” 能允許處于一個(gè)時(shí)空的事件能瞬間影響處于另一個(gè)時(shí)空的事件。

在科學(xué)界的術(shù)語中，量子通信是一個(gè)廣泛的研究領(lǐng)域，包括量子密碼術(shù)、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(shù)是近期最有希望應(yīng)用于實(shí)踐的，因此當(dāng)我們?cè)谡務(wù)?“量子通信” 的時(shí)候，我們通常指的是量子密碼術(shù)。作為量子信息的應(yīng)用之一的 “量子密碼術(shù)”，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(jìn)一步實(shí)現(xiàn)待傳輸量子態(tài)的保護(hù)。

如何實(shí)現(xiàn)量子信息掩蔽？

基于量子通信的概念和量子密碼術(shù)的研究，量子信息掩蔽指的是，將一份量子信息完全轉(zhuǎn)移至多個(gè)量子實(shí)體的相互關(guān)聯(lián)中，從而從其中每個(gè)單獨(dú)的量子實(shí)體，都不能獲得被掩蔽信息的任何進(jìn)一步知識(shí)。

而量子信息掩蔽，則是量子加密通信技術(shù)的良好開端。

如何判斷量子信息掩蔽是否成功呢？許金時(shí)告訴 DeepTech：“評(píng)判量子信息掩蔽成功的標(biāo)準(zhǔn)包括兩條內(nèi)容：一是被掩蔽的信息是否還能夠從多體關(guān)聯(lián)中被恢復(fù)，二是每個(gè)單獨(dú)量子實(shí)體的狀態(tài)是否完全與掩蔽前的信息無關(guān)。一次成功的量子信息掩蔽任務(wù)必須滿足上述兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)?！?/span>

在實(shí)驗(yàn)過程中，該團(tuán)隊(duì)主要關(guān)注的參數(shù)便刻畫了掩蔽過程是否滿足這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)：一是掩蔽后的多體態(tài)與目標(biāo)態(tài)的保真度，它表征了恢復(fù)出被掩蔽的量子信息的能力；二是掩蔽后每個(gè)單體狀態(tài)與目標(biāo)態(tài)的距離，它表征了抵抗掩蔽后量子信息被從某個(gè)單體中竊取的能力。

除了上述的技術(shù)指標(biāo)之外，可掩蔽集合的大小和掩蔽操作對(duì)應(yīng)載體的數(shù)目也決定了量子信息掩蔽的實(shí)際應(yīng)用范圍。

“實(shí)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(guān)聯(lián)的量子實(shí)體之間出現(xiàn)糾纏?！?許金時(shí)補(bǔ)充道。

此外，許金時(shí)表示，量子信息掩蔽的實(shí)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(shí)體的狀態(tài)，對(duì)另一個(gè)受控量子比特施加一個(gè)可控的相位，輔以一些單體的演化，就可以實(shí)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(shí)體與另一個(gè)種類相同的量子實(shí)體進(jìn)行干涉，也可以達(dá)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(shí)現(xiàn)起來相對(duì)方便，因此在我們的工作中采用這種方法。” 許金時(shí)評(píng)價(jià)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(zhì)量并不會(huì)影響解密的難易度。

談及量子信息解碼，許金時(shí)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(zhì)量的信息掩蔽不會(huì)對(duì)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(diǎn)在于，目前，我們需要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)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(shí)補(bǔ)充道。

當(dāng)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(shí)際應(yīng)用，許金時(shí)認(rèn)為，量子信息掩蔽到量子信息加密應(yīng)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(yuǎn)，抵抗噪聲干擾等問題，從而使這項(xiàng)技術(shù)能夠取得更廣泛的實(shí)際應(yīng)用?！?/span>