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中国90后科学家刘博联合四国学者,实现8节点无可信中继量子网络
2020/9/12 16:01:01 | 浏览:114 | 评论:0

 

“恰好实验室有这样一个项目,需要有人去做。我当时的第一感受是,量子通信不靠谱,不能接受。” 国防科技大学前沿交叉学科学院讲师刘博告诉 DeepTech。那时的刘博刚刚本科毕业、开始读研。

但做着做着,刘博渐渐改变了他最开始对量子信息技术的“刻板”看法,并在这一领域找到了乐趣。而且,由于是跨专业、跨学科学习,之前在计算机学院学到的编程知识和技能,也帮助他参与进一项或可 “改变人类在线交流方式” 的跨国研究,并成为主要参与者之一。

刘博等人的工作,不同于目前点对点可信中继的量子通信网络,实现了城域范围内无可信中继的量子纠缠分发网络,具备拓展为更大规模量子通信网络的潜力,从而为用户提供服务。

相关研究成果已于 9 月 2 日以论文的形式发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上。


中国90后科学家刘博联合四国学者,实现8节点无可信中继量子网络(来源:Science Advances)

论文通讯作者、英国布里斯托大学(University of Bristol)量子工程技术实验室负责人西达斯·乔希(Siddarth Joshi)对 DeepTech 表示,“这是一个巨大的突破,它将使量子互联网成为一个更加现实的命题。”


中国90后科学家刘博联合四国学者,实现8节点无可信中继量子网络图 | 英国布里斯托大学量子工程技术实验室负责人西达斯·(Siddarth Joshi)

乔希表示,来自奥地利维也纳(Vienna)的团队建立了纠缠光子源,来自克罗地亚萨格勒布(Zagreb)的团队建立了用户硬件,来自英国利兹(Leeds)的团队协助进行网络安全性分析,英国布里斯托大学(University of Bristol)设计了网络并构建了服务提供商硬件,而刘博所做的主要工作是,帮助开发了监控网络和处理安全加密密钥的软件。

“在下一次实验中,我们将会展示一个规模更大、功能更加完备的量子网络,到那时,量子网络能够开展的应用也将更加丰富。而且,随着光刻、新材料研发等技术不断成熟,整体成本也会降低。” 刘博说。

“量子互联网或可加速到来”

互联网的价值大部分来自它作为一种群体构建的工具的作用,这就是著名的里德定律(Reed's law)。用更通俗的话来说,互联网的价值会随着用户数量的增加而呈指数级增长。因此,可拓展性是一个网络、一个系统是否具有可持续增长价值的重要因素之一。

这一定律同样适用于近年来备受关注的量子互联网,只有具备可拓展性,量子互联网才能在现实生活中实现大规模落地应用。

“一台计算机可能非常有用,但在现实生活中,我们很少只单独使用一台计算机,我们还需要通过连接其他计算机来获取其他重要信息。同样地,为充分挖掘量子技术的潜力,我们希望可以把单个量子系统连接起来,这就是量子互联网。” 乔希说。

量子互联网可以为我们解决很多现实问题,比如它可以为用户提供安全的通信,保护用户的个人隐私。量子互联网可以将量子计算机连接在一起,我们未来或许只需要使用一个很小的设备,就可以访问规模庞大、功能强大的量子互联网,在共享量子信息的同时,不会泄露个人隐私。

当前,互联网严重依赖复杂的代码来保护信息,但黑客们非常善于攻击这类系统,在全球范围内发动网络攻击,每年因为重大隐私泄露和欺诈造成的损失可高达数万亿英镑,而且这一问题越来越严重,亟需寻找一种替代方案。几十年来,量子技术一直被誉为标准加密技术的替代品,允许双方共享用于加密和解密信息的密钥,而没有被截取的风险。但到目前为止,这种技术只在两个直接相连的用户之间有效。

“直到现在,我们依然在使用一种被称为可信中继的方式共享信息,但这种解决方案使用了太多额外的硬件,而且信息可能会被泄漏,不是完全安全的。” 乔希说。

在最新的研究成果中,他们创建了一个可扩展的网络架构,可以将所需资源最小化,在连接层基于纠缠构建拓扑复杂的网络,在物理层采用简单的线性可扩展策略实现节点间的互联,取代可信中继实现方案。

乔希表示,这一突破是量子互联网领域的重大进步,并加速了它的到来。这项技术或许首先被用来保护城市的网络骨干,提供银行和自动取款机之间的安全连接,甚至可能提供一项服务,消费者可以在其中填充自己的密钥存储库以供未来使用。乔希希望这项技术在几年后能够为每个人提供更好的信息安全服务。

意外的跨学科研究

刘博出生于 1990 年,2008 年考入国防科技大学, 于 2015 年以国家公派联合培养博士的方式到奥地利科学院留学,2018 年博士毕业后留校任职。2018 年底,刘博以访问学者的身份再次回到奥地利科学院,与乔希等人开始一起构想这一实验。


中国90后科学家刘博联合四国学者,实现8节点无可信中继量子网络

本科期间,刘博的专业为网络工程信息安全方向,读研时因被安排做一个量子密钥分发的课题,于是一发不可收,就转向了量子领域。在蔡林格项目组学习期间,他参与了中国科学院与奥地利科学院借助墨子号量子科学实验卫星联合开展的洲际量子安全通信实验(被评为美国物理学会 2018 年度国际物理学十大进展之一),参与了蔡林格项目组内其他与量子纠缠相关的实验,当前的研究方向主要聚焦于量子通信和量子互联网。

跨学科、跨专业的他,在这一领域有一些独特的优势,比如用计算机思维重新审视量子通信有关的数据分析,在他之前是没有的,当时其他人几个月没解决的问题,他只用半个月时间就可以完成,之前需要几个星期才能做完的数据分析,他也只用了一个晚上。

在这项跨国科研合作中,刘博主要负责开发量子纠缠分发网络调试监控软件和安全密钥提取软件。

此次实现的量子网络中共有 8 个通信节点,每个节点部署 2 个探测器(信道),总共有 112 组关联关系需要实时分析,每秒钟需要分析的光子计数达到百万量级。他设计了一种光子关联快速分析算法,算法复杂度由 O(n^2)降低至 O(nlogn)以下,有效支撑了量子纠缠分发网络调试监控软件的设计实现。此次实验采用的通信协议为改进后的 BBM92 协议,每个通信节点仅部署 2 个探测器,协议的安全性和密钥后处理流程需要相应调整。他设计的安全密钥处理软件能够自适应设置通信节点的符合计数窗口,并完成有限码长效应分析,提取出最终的安全密钥。

他表示,这两个软件是此次研究人员协同实验的基础,负责纠缠源、波分复用器件和测量终端的同事均可以通过实时观测网络节点不同信道之间的光子计数、对比度、量子比特误码率、符合计数和密钥生成率等参数来实时快速调试,使得网络处于最佳工作状态。

当前,他们已经实现了 8 个节点的全互联网络结构。从物理层的角度看,有点像星型拓扑结构,相当于一个纠缠源通过 8 根光纤连接到 8 个节点;从网络层的角度看,任意两个节点之间都有纠缠关联关系,是一种全互联的网络结构,但这种结构在现实中并不常见,常见的是,例如,A 和 B 之间可能有两条连接路径,但B 和 C 之间只有一条路径,这种网络拓扑就更加复杂,如果网络规模进一步扩大,比如 100 个节点互联,网络架构就会更加复杂。


中国90后科学家刘博联合四国学者,实现8节点无可信中继量子网络

图 | 整体网络架构(来源:Science Advances)

“我们如今正在做的一个工作是,把波分复用(WDM)技术升级为主动波长选择技术,相当于可以根据实际需求在两个节点之间建立链路,而不再需要网络时刻处于全互联的状态。我们希望可以借助 ‘软件定义网络’(SDN)的概念,在 16 个节点之间按需定义和设计网络结构,从而实现动态网络拓扑、建立纠缠关系,可以将其理解为一种软件定义的量子网络。” 刘博说。

另外,他们目前实现的仅仅是一个小范围的量子网络,相当于一个局域网,他们接下来要把多个局域量子网络(比如校园网、城域网等)通过纠缠连到一起,使其更加接近量子互联网的概念。

此外,除了量子密钥分发之外,他们也希望探索量子纠缠的其他应用,比如身份认证、时间同步和协同计算等。

尽管当前量子通信还是一个新兴领域,国内外整体差距并不大,“尤其是,在量子通信领域中以可信中继为核心的量子网络这一层面,我们还是领先的。”

近年来,中科研人员在量子计算和量子互联网研究领域始终活跃在行业前沿。中国科技大学的潘建伟院士团队主要从事量子计算、量子通信和量子网络等研究,在量子计算、多光子纠缠、量子存储、星地量子通信等方面均有较好的研究突破;中国科技大学的郭光灿院士团队在量子通信与量子网络等方面具有较好的研究;南京大学近两年在无人机量子纠缠分发、高维度量子纠缠光源及多光子源等方面取得了突破;其他主要研究单位还包括南方科技大学、北京大学、清华大学、北京邮电大学、国防科技大学等。

但从长远来看,我们跟国际上其他国家相比,紧迫感还是比较强的,比如在量子纠缠、量子存储等方向,我们与国外相比还存在一些差距。同时,我们在基础理论、光刻等加工工艺、量子器件制备等方面也还有很大进步空间。

如今,量子纠缠在量子通信、量子互联网领域扮演着一个越来越重要的角色,是未来研究的热点。接下来,刘博希望建立一个小型量子纠缠分发测试网络,进而探索一些量子纠缠分发技术支撑下的新应用和新技术。

他表示,目前有关量子计算的基础研究非常多,量子精密测量技术也比较成熟,市场上也出现了一些关于量子通信的商业化解决方案,单个量子系统在技术和应用方面基本上都有所突破。量子互联网就像一个基础设施,可以把这些单个量子系统连接在一起,进而在一些技术上实现更大突破。

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