一支国际科研团队首次演示基于DI-QKD的安全量子网络

技术进展 量科网 2022-07-29 10:51

由新加坡国立大学(NUS)和慕尼黑大学(LMU)的研究人员组成的一个国际团队首次成功展示了一种新形式的量子密钥分发(QKD)技术,即使用户不了解底层的量子硬件,它也是安全的。这项工作为更安全、更开放的量子互联网铺平了道路。这项研究于2022年7月27日发表在科学杂志《自然》上,该合作由新加坡国立大学的助理教授Charles Lim和慕尼黑大学的Harald Weinfurter教授共同领导,他们分别监督了该项目的理论和实验工作。

一支国际科研团队首次演示基于DI-QKD的安全量子网络

通过公共通道分发密钥是安全通信的基本要求。当今的密钥交换方法是假设某些数学问题很难使用最先进的计算解决方案来解决。然而,鉴于量子计算等下一代计算技术的快速发展,这种方法在高度重视长期安全性的应用中可能不是最合适的。

QKD为密钥交换问题提供了一个稳健且长期的解决方案。通过对单个光子的测量和交换,在用户之间分配一对相同且秘密的随机密钥。QKD的主要优势在于其通道安全性在数学上是牢不可破的,这使它成为了保护长期敏感数据的理想候选。然而,为了利用这一安全承诺,QKD的实施必须完美无瑕,从量子设备的构建到侧信道攻击,这是实践中的一个主要挑战。

新的实验基于与设备无关的量子密钥分发(DI-QKD)。至关重要的是,DI-QKD的安全性不依赖于协议中使用的量子设备的规范。然而,实施DI-QKD有两个主要挑战:(1)潜在的量子噪声必须非常低;(2)系统需要高效地在两个用户间创建高质量的纠缠。在长距离通信上同时实现这两个条件是一个长期存在的挑战。

为了解决第一个挑战,该团队使用了新的DI-QKD协议。该协议为用户提供了一组额外的密钥生成测量,而其他协议通常只有一组。这使得这种协议更能容忍噪音和信号丢失,并使窃听者更难窃取信息。该协议由新加坡国立大学的助理教授Charles Lim及其同事发明,该工作于2021年发表在《自然通讯》上。

Lim助理教授提出了这个项目,并启动了与慕尼黑大学的团队的合作。他说:“DI-QKD是安全密钥交换的巅峰,可以改变我们在通信网络中管理风险和信任的方式。例如,由于这种方法可以使用户在不信任制造商的情况下验证他们的量子硬件,因此可以缓解网络安全中的相关问题,如供应链攻击和侧通道。”

为了克服第二个挑战,慕尼黑大学团队需要在相距400米的两个量子设备间创建非常高质量的纠缠。在这里,纠缠是通过量子交换产生的,本地产生的光子-原子纠缠对的独立光子会通过700米的光纤传输,并混合在一个联合测量方案中。慕尼黑大学团队必须仔细平衡纠缠质量、生成速率和系统噪声,这是一个重大的实验挑战,而新加坡国立大学团队进行了安全分析,以确认该配置能够创建DI-QKD密钥。

Harald Weinfurter教授说:“我们正在开发纠缠远距离量子存储器的方法,这是迈向大规模量子网络的重要一步。我们在这项工作的实验演示了远距离量子存储器间的纠缠分布,它构成了远距离量子网络连接的基础。”

展望未来,该团队研究人员表示,他们的下一个重点是将DI-QKD的范围扩展到更长的距离(例如50公里或者更远)。要做到这一点,要实现需要能够在更远的距离上分布高质量纠缠,这是一个重大的科学挑战。(编译:Qtech)