量子密码学承诺未来计算机将使用量子物理学的炫目光彩，通过超安全链路相互通信。但是，将研究实验室的突破扩展到具有大量节点的网络已被证明是困难的。现在，一个国际研究团队已经构建了一个可扩展的城市范围的量子网络，以共享用于加密消息的密钥。
该网络可以扩大规模，而不会导致昂贵的量子硬件成本不合理地升级。此外，该系统不要求任何节点是可信的，从而消除了任何削弱安全性的薄弱环节。
“我们已经在实验室和部署在英国布里斯托尔市的光纤中对其进行了测试”，布里斯托尔大学的西达思·科杜鲁·乔希说。他和他的同事使用一个具有八个节点的量子网络演示了他们的想法，其中最远节点之间的距离为17公里，这是通过连接它们的光纤长度来测量的。该团队的研究结果发表在9月2日的《科学进展》杂志上。
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两人成伴，三人成群
量子密码学涉及使用量子物理定律来创建用于编码和解码消息的私钥，这个过程称为量子密钥分发，或 QKD。
在最常用的 QKD 协议中，一方，爱丽丝，准备并发送一个量子比特，或称 qubit，给另一方，鲍勃。量子比特是处于两种状态量子叠加的粒子。鲍勃随机选择一组粒子测量方法中的一种。如果鲍勃选择正确的测量类型，他将知道爱丽丝在量子比特中编码的值。在对这些量子比特进行一系列测量之后，爱丽丝和鲍勃公开交换笔记，并同意使用鲍勃的某些测量的结果子集（双方都知道此子集中每个量子比特的值）。他们丢弃其他测量结果。至关重要的是，结果不是公开的，爱丽丝和鲍勃使用它们来创建私钥，以加密和解密通过公共链接发送的消息。
但是这种方法很难扩展。想象一下，您想向网络添加另一个用户，查理。一种选择是让鲍勃和查理建立安全链接。然后爱丽丝可以通过鲍勃向查理发送消息，但她必须信任鲍勃。
维也纳量子光学与量子信息研究所的团队成员塞巴斯蒂安·诺伊曼说：“这不是很吸引人。” “量子密码学的全部意义在于无条件安全性。”
为了避免必须信任鲍勃，查理可以直接连接到爱丽丝和鲍勃。现在，这两者都需要额外的硬件才能与查理通信，因为在不中断现有节点的情况下无法添加新节点。当您仅添加一个额外节点时，就会出现这个问题。随着新节点的添加，要求在成本和复杂性方面呈指数级增长。例如，一个双节点网络有一个链接，一个三节点网络有三个链接，一个八节点网络有 28 个链接，而一个 100 节点网络需要 4,950 个链接。
乔希和他的同事使用了另一种 QKD 协议，该协议涉及在任意两个节点之间共享纠缠粒子，以设计一种新型网络，从而克服了许多这些问题。
城市多路复用
在这个协议中，爱丽丝和鲍勃使用纠缠光子对来创建私钥。给定来自这样一对光子的一个光子，爱丽丝随机执行一组特定的测量之一。鲍勃对他的粒子做同样的事情。由于光子是纠缠的，如果爱丽丝和鲍勃进行相同的测量，他们将获得相同的结果。两人公开分享他们对成对粒子的测量序列。然后，他们选择那些本应给出相同结果的子集，并丢弃其他子集。这些从未公开披露的结果构成了私钥的基础。
研究人员没有构建一个其中八个节点中的每一个都物理连接到所有其他节点的网络，而是创建了一个具有中央源的网络，该中央源将纠缠光子发送到八个节点，分别命名为爱丽丝、鲍勃、克洛伊、戴夫、冯、戈皮、海蒂和伊万。每个节点仅通过单个光纤链路连接到源，总共形成八个链路——远少于没有可信节点的传统 QKD 所需的 28 个链路。
因此，即使节点没有物理连接，研究人员开发的协议也通过量子纠缠的魔力在每对节点之间建立了一个虚拟链接，从而使每对节点都可以创建私钥。
中央源具有所谓的非线性晶体，可以“吐出”一对在偏振方面纠缠的光子。这些光子的波长以大约 1,550 纳米为中心，正负几十纳米。如果要寻找并找到其中一个波长为 1,560 纳米的光子，那么能量守恒定律规定，其纠缠伙伴的波长将为 1,540 纳米。这种窄波长就是一个通道。中央源将初始纠缠对的波长分成 16 个通道，一侧 8 个，另一侧 –1 到 –8，与 1,550 纳米等距。这样做有效地创建了八对通道，一侧编号为 1 到 8，另一侧编号为 –1 到 –8。在测量时，光子当然只会在一对通道中被发现，而不会在其他通道中被发现。
然后，这些通道在同一根光纤中组合或多路复用，并发送到每个节点。每个节点获得不同的通道组合。例如，爱丽丝接收通道 2、6、7 和 8；戴夫接收 –6、–4、–3 和 1；戈皮接收 –8、5、4 和 –2。波长的选择使得任何两个节点始终共享至少一对通道，这些通道中可能存在纠缠光子。在上述方案中，爱丽丝和戴夫共享通道 6 和 –6；爱丽丝和戈皮共享通道 2 和 –2 以及 8 和 –8；戴夫和戈皮共享 –4 和 4。
每个节点都监视其所有通道，以测量潜在光子的偏振态（如果光子出现在其中一个通道中）。因此，如果光子探测器为爱丽丝发出咔哒声，则她有效地进行了一次测量，以查看光子是沿一个方向（水平或垂直）偏振还是沿另一个方向（对角线或反对角线）偏振。碰巧的是，只有另一个节点会在完全相同的时间检测到相应的纠缠光子。
在一系列使用大量纠缠光子对的测量之后，节点广播其光子计数和检测到光子的相应时间戳。此信息使节点能够弄清楚哪些光子对是由哪些节点对测量的。例如，爱丽丝和戴夫意识到，对于某个时间戳，他们的检测数量存在很强的相关性。这种相关性代表了他们共享的纠缠光子。爱丽丝和戴夫现在可以使用这些测量的结果在他们两者之间建立密钥。
安全地扩展规模
添加新节点很简单：只需将其连接到中央源即可，中央源只需修改其通道拆分和多路复用方案。但是，现有节点都不需要担心。“随着网络的变化，爱丽丝不必做任何改变”，乔希说。
此外，所需的额外硬件随着节点数量的增加呈线性扩展——与早期技术相比，这是一项重大改进。至关重要的是，所有节点都不必是可信的，但它们中的任何一对都可以建立安全链接以创建牢不可破的量子密钥，该密钥可用于编码和解码消息。
未来的大规模量子网络将必须解决至少两个主要问题：一是它们必须互连任意数量的用户。其次，此类网络必须跨越广阔的洲内和洲际距离——这需要使用量子中继器来扩展可以分发量子态的范围，或者使用卫星将量子比特或纠缠粒子束缚到地面节点。
荷兰代尔夫特理工大学的罗纳德·汉森没有参与这项新工作，他承认这项工作将 QKD 扩展到“在 QKD 的有限范围内覆盖更多用户，而无需中继器。”
乔希的团队承认，他们的工作尚未解决大于小城市范围的距离问题。为了增加范围，研究人员正在考虑使用卫星来携带他们的纠缠光子中央源。“我们正在努力使这样的源与太空兼容”，乔希说。“我们必须使其足够坚固。”