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爱因斯坦的“幽灵”超距作用实现多方量子安全通信网

 量子力学理论可以完美的描述自然界中最小的物理体系,比如原子和光子。正如1935年爱因斯坦、波多尔斯基、罗森在他们著名的Einstein-Podolsky-Rosen paradox中提出的,量子力学具有令人惊讶的特性:处于位置和动量理想关联量子态的一对粒子,在一定时刻后空间上完全分离,对其中一个粒子测量会瞬间影响远处另一个粒子的量子状态。这种被爱因斯坦称之为“幽灵般”的超距作用(spooky action in a distance)最近被称之为“EPR steering”,即量子引导。与一般量子纠缠的不可分性相比,它具有非定域性(nonlocal)特点,即:Alice对A粒子某个观测量的测量可以引导遥远的与之纠缠的B粒子到该观测量的本征态上,从而可以较为精确的预言Bob对B粒子的观测结果。

多方安全量子通信示意图

 最新的研究表明,这种特殊的量子纠缠可以由三人或多人共享,用来作为安全通信加密所需的量子密钥,这意味着多方量子秘密通信成为可能。这一研究成果由北京大学“介观光学与飞秒光物理”创新研究群体何琼毅研究员、龚旗煌教授与澳洲国立大学和斯威本大学合作完成,发表在2015年1月的《自然物理》上【Nature Physics 11, 167-172 (2015) DOI:10.1038/nphys3202】。原则上,这种由多方共享的量子引导纠缠作为保密通信的安全基础,可以抵御信息传输过程中的任何黑客攻击,这可以为未来的多方量子通信网络提供前所未有的安全保证。该研究工作的实验由澳大利亚国立大学P. K. Lam教授利用多模光场系统完成,理论由北京大学和澳洲斯威本科技大学完成。

  如图所示,四方共享一个包含四个粒子的具有量子引导纠缠的量子态,发送方Alice 把秘密信息加密在她拥有的粒子的振幅和位相上,其余三个接收方分别对自己的粒子进行测量,只有当他们相互协作共享测量结果才能推断出Alice所拥有的粒子的测量结果,同时将加在上面的秘密信息解密出来。通信过程中,只要发送方的测量是安全的,那么任何形式的黑客攻击,无论是对传输中的信息窃取还是对接收方测量装置的破坏,都会被探测出来,因此这种通信方式是绝对安全的,并且由于发送方不需要信任接收方的测量,即使接收消息的装置已被篡改,量子传送的消息还将保持安全,从而实现对接收方设备不依赖的安全通信,这是由多方之间共享的爱因斯坦的“幽灵纠缠”的性质决定的。多方通信的安全为未来网络条件下的信息安全提供了理论基础。

 这是光学所成员在量子多体纠缠和保密通讯研究上取得的又一个重要进展。近期的研究成果还包括:理论给出了便于实验检测的双模高斯态量子关联的分类判定和度量【Physical Review Letters, 114(6), 060402 (2015)】,并针对多体量子系统给出真正多体量子引导关联的实验检测判据【Physical Review Letters, 111 250403 (2013)】。国际著名科技新闻网站Phys.org等对这项研究工作进行了题为“Einstein's 'spooky' theory may lead to ultra-secure Internet”和“Extending Einstein's spooky action for use in quantum networks”的专题报道。

 该研究工作得到国家自然科学基金委、人工微结构和介观物理国家重点实验室及量子物质科学2011协同创新中心的支持。

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