量子通信有哪些事儿（量子通信从此万无一失）

罗马人有一个赞扬人可靠的说法：「你能在黑暗中信任他。」但是正如恺撒在被他的核心集团成员刺杀时意识到的，有时候最好的策略是不要相信任何人。

纵观整个历史，人们被错误的信任伤害得很深。八月份婚外情网站Ashley Madison的用户隐私外泄的事就是一个很好的例证。他们的配偶则是另一个例证。但就网络安全而言，我们终于有能力建立这样一个世界：那里，我们无需信任。把我们带入这个世界的就是测量器件无关的量子加密术（device-independent quantum cryptography）。一旦这项技术完善之后，你即使从头号敌人那里购买安全通讯装置都不必担心被监听。「你无须信任任何人。」 牛津大学物理学家Artur Ekert如是说。正是他在密码学上的创新激发了这个设想。

量子理论说两个纠缠在一起的光子互相是“专一”的：它们没有与任何其他东西有联系，因此没有信息可以泄露出去。Acin的基本观点是你可以用贝尔测试（Bell test）验证这个理论。

这个测试于1964年首先被物理学家John Bell提出，目的是确定两组数字是否比随机过程得到的结果相关性更强。“它们之间的相关性越高，它们与外界联系的可能就越小。”Ekert 说。

如果你的系统通过了贝尓测试，你就在三个问题上有了切实可靠的保证。第一，你的密码是随机产生的，因此它无法被预测。第二，密码长度也存在固有随机性，因此无法被猜到。第三，也是最重要的，没有人能够用某些后门程序获取你的密码。如果有人这么做，那么量子纠缠的“专一性”就被破坏了。

这个计划只有一个问题：未曾有人打造过一个滴水不漏的实验装置以进行贝尔测试。它面临着与今版的量子加密术同样的问题，加之引入的量子纠缠使得问题更加复杂。

这是由于定域性漏洞（locality loophole），即也许有一些未被发现的信号在纠缠态的粒子之间传递信息。如果这种信号传递存在，为两个粒子分别选择测量的量的随机性将被动摇，于是就为某些天才敌人打开了操纵这些信号的大门。

以上这些可能看起来有些杞人忧天，但是有两个理由驱使我们深究下去。一方面，如果解决了这个问题我们就完全不必要去信任任何东西。另一方面，这是量子加密术和物理学家试图证明的量子理论正确性的交点。借此机会，我们可以拂去萦绕良久的疑惑，一窥那纠缠的粒子之间是否真的存在什么诡异的联系。

要证明它就要进行一个严密的贝尔测试，同时排除探测漏洞和定域性漏洞。自贝尔公开了他的实验的51年中，这项课题的研究者都做不到两全其美。同时解决这两个漏洞非常困难，用荷兰Delft理工大学的Stephanie Wehner的话说，“这就像是我可以骑自行车，也可以玩杂耍，所以我应该可以做到一边骑车，一边玩杂耍，但其实这远比想的要难。”

但是今年早些时候，Wehner和她的同事最终实现了一个无漏洞的贝尔测试 (这项工作发表在了Nature杂志上）。他们利用的核心思想叫做纠缠交换（entanglement swapping）。Delft团队将两颗钻石放置在相距1.3公里的位置。想象一下我们上文提到的Alice守着一颗钻石，而BOB守着另一颗。每颗钻石都有一个叫做氮空位中心（nitrogen vacancy centre）的缺陷。用微波脉冲轰击氮空位中心的电子会产生一个与该电子纠缠的光子。在他们设计的实验中两个脉冲几乎同时分别击向两颗钻石，各自释放的光子射向中间的一个探测器。接下来就是一个聪明绝顶的环节，如果两边的光子同时到达中间的探测器，那么纠缠态就从各自的光子-电子组合中转换到两个电子之间。现在Bob和Alice就有了一对不曾游离出去的纠缠态电子。（请看下方的“安全保障原理图”）

由于电子比光子更容易探测，这个实验轻易地补上了探测漏洞。并且，由于电子相聚太过遥远，研究者有一个4微秒的窗口，可以用来测量它们的关系——对21世纪的物理学来说，这个时间足够长了——并且证明任何可能改变它们关系的物理信号都必须超光速。由于这是广义相对论所不允许的，定域性漏洞也就被堵上了。

层层包裹之下

多亏了这种独创性，粒子相关性终于通过了贝尔测试，而且我们知道它们并不是由于探测失误而产生的，也不是因为通讯漏洞。Wehner的同事、领导了该项研究的Bas Henson说：「这感觉太棒了。」最终，我们终于堵上了漏洞。量子理论通过了测试。我们知道，它可以用来创造一个可证明为安全的密码系统。

不过，依然存在一些未被抚平的褶皱——早已桎梏密码学家多年的那些老家伙。比如说，你的敌人可能会破窗而入，溜进你的办公室，偷走你的钥匙。Mosca说：「物理安全永远是一个问题。如果我能够进入你的实验室，看到文本，那我根本不需要破译你的密码。」Makarov提出了另一个警告：密钥分配可能是独立于设备的，但是系统的其他部分有可能被攻破。「你必须相信，终端站的所有部分都不包含任何恶意的成分。」

刨除这些终极的问题，我们已经到达了完善安全之路的尽头。从理论证据到实际应用还需要一定的时间：现在，如何实施这套技术依然是一个艰难的工作。 Delft大学的研究团队在9天时间内得到了245对量子纠缠——对产生密钥所需要的几千个数字来说，这个效率还是太低了。但是，进展正在发生。Henson说：「我们期待在不远的未来能够以快上10万倍的速度产生纠缠态。」

测量设备无关的量子密码学是终极的保密手段。它终于出现在我们触手可及的地方。量子部分提供了不可破解的方案；对测量设备的无关性保证了供应商无法实施干扰。Mosca说：「就物理安全性而言，这是最好的。」 Ekert同意这个观点：贝尔测试的常规程序很简单，任何人都可以使用。「你甚至不用理解物理学。」

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