量子网络的研究时下正当红

早在2012年4月,德国的马克斯。普朗克量子光学研究所的格哈德。伦珀等人就宣布第一个量子网络问世。

而在今年,卡尔加里大学的沃尔夫冈。蒂特尔等人成功将一个光子的量子态通过光缆传输了六公里。

科学家们知道如何通过光纤或类似的自由物理空间传输量子数据。在量子传输中,光子通过高敏感原子形成的信道传导。在光纤电缆应用了光传导原理,采用了微细的玻璃纤维传输信息。自由空间传输中虽然没有玻璃纤维,但仍然使用光传导原理来传输量子信息。因此,信源和信宿之间必须存在供光穿行的通路。这意味着我们能用比光纤更快的速度传输信息,但是这种方式也同样更难以控制。

当然,发达地区早已铺设了大量的光缆,然而截止2016年,这些光缆传输的往往仍是我们熟悉和钟爱的二进制数字信号。

量子数据是个潜力不可估量的新鲜玩意,相比之下,比特只能包含一个1或0,量子比特(又名量子位)则能同时包含两个状态。这简直匪夷所思,量子比特的物理特性为计算机科学开创了奇异的新维度。

自ENIAC在1946年问世,二进制编码的地位就牢不可破。想想看,我们已经使用了它七十多年!我们曾经需要一屋子的机械用于简单的运算。而现在我们仅仅用一个100克的随身设备,就可以从世界的另一端获取以分钟计的音频和1080p的视频。二进制为我们带来了这么多,我们却仍未将其潜力探索殆尽!

到目前为止,我们只能用量子传输的方式传输一种非常简单的数据,比如光粒子信息。因此,我们尚不足以用量子信号实现网络上的一对多传播。我们至今仍未绕开的问题在于:量子信息只能从A、B点间单对单传播。

外界的观察会改变量子比特所携带的数据。仅仅被观察到就意味着光量子自身和内部的变化。我们将不得不设计为此新型的防火墙和连接管理工具……而我们现在所使用的针对加密二进制数据加密的模块和流密码显然也会淘汰。

所以,我们可以推测量子网络终将对信息安全构成前所未有的挑战。而这恐怕就是事实。但也因为量子比特被观察或改变方向就会改变自身的数据,中间人攻击(MITM)也将成为历史。它可能只会存在于我们的记忆里。(谁又说得准呢?)

中间人攻击往往遵循以下流程:

用户端向网络服务器传输数据,黑客则在用户端和服务器之间充当转发者。用户端向服务器发送密钥请求时,中转机将这一请求转发到服务器。服务器将密钥发送给用户端,但两方均不知晓密钥在到达用户端之前已经被黑客拦截和复制。由于密钥最终抵达用户端,因而用户使用网上银行等业务时,用户端和服务器都会误认为达成了安全的HTTPS等协议。

事实上,由于黑客已经获取了密钥,他可以访问对话中各种所谓安全的、高度敏感的金融信息。

这种通常形式的中间人攻击对量子传输束手无策,因为仅仅是观察光子就会改变后者。携带量子比特的就是光子本身,这时用户端和服务器都会有所觉察。

如果不是某第一层的网络提供商的贪婪和互相勾结,加拿大和美国早已经实现大面积光缆覆盖。虽说包括美国和加拿大的局部在内的众多发达地区都已实现光缆覆盖,但是如果不是相互勾结的既得利益者从中作梗,这一进程本应进展更快。毕竟,即使用于二进制数据传输,同轴电缆的传输速度和安全性也完全不能和光纤电缆比。

我们完全可以预料到将来自由空间传输将遭受的企业阻力,这些因素将限制量子网络技术走入千家万户。

量子密码学同时也向信息安全领域展现了巨大的发展潜力。新加坡国立大学的阿图尔。艾克特在2012年向美国科学促进会展示了其中一二。正如中间人攻击在量子传播前无计可施,任何干扰量子密钥传输的尝试也是徒劳无功的。仅仅是观察光子就会改变后者,因而目标将提前发现攻击。

藉由量子、光子这些最小单位传播信息的神奇时代将会到来。量子信息的加密和安全,将是一个充满对抗性、复杂性和挑战性的崭新领域。

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