革命性的量子突破为更安全的在线交流铺平了道路

得益于一组国际科学家创造了一个独特的原型,该原型可以改变我们的在线交流方式,因此,世界距离拥有完全安全的互联网和应对日益增长的网络攻击的威胁已经近了一步。

由布里斯托大学(University of Bristol)领导的这项发明今天在《科学进展》(Science Advances)杂志上披露,具有为数百万用户提供服务的潜力,被认为是有史以来规模最大的量子网络,可用于保护人们的在线交流,特别是加速了这些互联网主导时代。

通过部署一种新技术,利用简单的物理定律,它可以使消息完全不受拦截,同时还可以克服以前很少使用但被大肆宣传的技术所限制的重大挑战。

该大学量子工程技术(QET)实验室负责项目的主要作者Siddarth Joshi博士说:“这代表了巨大的突破,并使量子互联网成为更加现实的主张。到目前为止,建立量子网络需要付出巨大的成本,时间和资源,而且经常会损害其安全性,从而破坏了整个目标。”

“我们的解决方案具有可扩展性,相对便宜,而且最重要的是不可渗透。这意味着它是一个激动人心的游戏规则改变者,为该技术的更快发展和广泛推广铺平了道路。”

当前的互联网依靠复杂的代码来保护信息,但是黑客越来越擅长于使此类系统变得更聪明,从而导致全世界范围内的网络攻击,这些攻击每年造成数万亿英镑的重大隐私泄露和欺诈。预计此类成本将急剧上升,寻找替代方案的理由更加引人注目,并且数十年来,量子已被视为标准加密技术的革命性替代。

到目前为止,物理学家已经开发出一种安全的加密形式,称为量子密钥分发,其中可以传播称为光子的光粒子。该过程允许两方共享用于加密和解密信息的秘密密钥,而没有被拦截的风险。但是迄今为止,该技术仅在两个用户之间有效。

“直到现在,扩展网络的努力都涉及庞大的基础架构和系统,该系统需要为每个其他用户创建另一个发送器和接收器。Joshi博士说:“以这种方式共享消息(称为受信任节点)还不够好,因为它使用了太多额外的硬件,这些硬件可能会泄漏并且将不再是完全安全的。”

团队的量子技术运用了一个看似神奇的原理,即所谓的纠缠,阿尔伯特·爱因斯坦将其描述为“远距离的怪异动作”。它利用放置在不同位置(可能相隔数千英里)中的两个不同粒子的力量来相互模仿。这个过程为量子计算机,传感器和信息处理提供了更多的机会。

乔希博士说:“这种最新的方法被称为多路复用,而不必复制整个通信系统,而是将单个系统发出的光粒子分开,从而可以被多个用户有效地接收。”

该团队仅使用八个接收器盒就为八个用户创建了一个网络,而前一种方法则需要将用户数乘以多次-在这种情况下,总计为56个盒。随着用户数量的增加,物流变得越来越不可行–例如,100个用户将需要9,900个收件箱。

为了展示其跨距离的功能,接收器盒通过布里斯托尔的不同位置连接到光纤,并使用该市现有的光纤网络测试了通过量子通信传输消息的能力。

乔希博士说:“除了完全安全之外,这项新技术的优点还在于其流线型敏捷性,因为它与现有技术集成在一起,因此需要最少的硬件。”

该团队独特的系统还具有流量管理功能,可提供更好的网络控制,例如,允许某些用户以更快的连接获得优先级。

以前的量子系统花费了数百万甚至数十亿英镑的成本才花费了数年的时间才能建立,但这个网络在不到几个月的时间内就花费了不到30万英镑。随着网络的扩展,财务优势会不断增长,因此,尽管先前的量子系统的100个用户的成本可能在50亿英镑左右,但乔希博士认为,多路复用技术可能会将其削减至450万英镑左右,不到1%。

近年来,量子密码术已成功用于保护中国银行业中心之间的交易并在瑞士大选中获得选票。然而,其庞大的应用却因所涉及的巨大资源和成本而受阻。

“有了这些规模经济,实现通用的量子互联网的前景就不那么遥不可及了。我们已经证明了这一概念,并通过进一步优化我们的多路复用方法来优化和共享网络中的资源,在不远的将来,我们不仅可以服务于成百上千的用户,还可以服务数以百万计的用户。”

后果不仅显示了互联网的重要性和潜力,以及我们对互联网的日益依赖,而且还显示了其绝对安全性至关重要。多重纠缠可能成为使这种安全成为急需的现实的关键。”

该研究获得了工程和物理科学研究委员会(EPSRC)的量子通信中心,克罗地亚科学与教育部(MSE)和奥地利研究促进局(FFG)的资助。

与布里斯托大学合作的机构有利兹大学,位于萨格勒布的克罗地亚鲁德·博斯科维奇研究所(RBI),位于维也纳的奥地利量子光学与量子信息研究所(IQOQI)以及位于长沙的中国国防科学技术大学

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