利用量子密码学 2017-03-15 02:03:05

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比原先想象的更通用:Alphasat I-XL的一部分实际上是为了展示欧洲哥白尼项目和地球的地球观测卫星之间的数据传输而开发的,但现在已经帮助了包括马克斯普朗克科学研究所研究人员在内的一组人员

光在测量量子态在38,000公里的距离传输之后进行测量物理学家创造了一个使用量子加密技术进行远距离通信而没有任何拦截风险的前提条件物理实验室的奇异研究开始了很快就会改变敏感数据的全球通信:量子加密这种技术的兴趣在过去两年左右迅速增长这一领域的最新工作是由马克斯普朗克研究所的Christoph Marquardt和Gerd Leuchs领导的团队

埃尔兰根的“光之科学”现在正在展示,它将提升整体性其他电信公司,银行和政府机构甚至更进一步这是因为与Tesat-Spacecom公司和德国航空航天中心合作的物理学家现在创造了一个使用量子加密技术进行远距离通信的前提条件

拦截风险他们测量了从距离地球38,000公里的地球静止通信卫星发射的光信号的量子态

物理学家因此相信,只有少数人可以建立一个基于既定卫星技术的全球拦截通信网络

例如,来自银行,国家机构或卫生部门的敏感数据不得落入未经授权的手中虽然现代加密技术已经很先进,但如果花费大量相应的努力,很多情况下它们都会被破解

传统的加密方法难以实现代表一个对未来量子计算机的挑战虽然科学家过去认为这种计算机的实现还有很长的路要走,但近期的重大进展现在已经提升了物理学家的希望“量子计算机也可能破解数据今天存储,“正如马克斯普朗克光学研究所研究小组组长Christoph Marquardt所说:”这就是为什么我们现在正在利用量子加密来开发安全的数据传输方法“量子力学保护反对间谍的关键在量子密码学中,双方交换密钥,可用于加密消息与已建立的公钥加密方法不同,只要密钥不落入坏人手中,此方法就无法破解为了防范发生这种情况,双方以激光脉冲中的量子态的形式发送对方的密钥量子力学的定律保护密钥不受间谍的影响,因为任何窃听尝试都将不可避免地在信号中留下痕迹,发送者和接收者将立即检测到这是因为读取量子信息等同于光脉冲的测量,这不可避免地改变了光的量子态在实验室和短距离量子密钥分配已经通过光通信技术中使用的光纤工作得相当好

在很长的距离内,需要刷新弱和敏感的量子信号,这很难解决类似于那些确定激光脉冲无法被忽视的事实的原因

因此Christoph Marquardt和他的同事依靠通过大气层,地球和卫星之间的量子态传输来确切地建立一个受量子密码学保护的全球通信网络

测量来自Alphasat I-XL的光量子在他们目前的出版物中,研究人员笑了这可以在很大程度上基于现有技术使用加那利群岛Teneriffe上的测量设备,他们检测到Alphasat I-XL通信卫星传输到地球的激光脉冲的量子特性卫星在地球静止轨道上绕地球,因此天空似乎停滞不前2013年发射的卫星携带属于欧洲航天局ESA的激光通信设备 总部位于斯图加特附近的巴克南的Tesat-Spacecom公司与德国航空航天中心合作开发了该技术,作为欧洲哥白尼地球观测项目的一部分,该项目由德国联邦经济事务和能源部资助,而Alphasat I- XL从未打算用于量子通信,“我们在某个阶段发现,卫星的数据传输按照与我们实验室实验相同的原理工作,”Marquardt解释说,“这是通过调制振幅和光波的相位“振幅是光波强度的一种度量,两个波的相互移动可以借助相位确定

激光波束在行进38,000公里后宽800米

对于传统的数据传输,例如,幅度的调制特别大

这使得在接收器中更容易读出并保证交流学习信号Marquardt和他的同事正在努力达到完全相反的目的:然而:为了用激光脉冲降低到量子水平,它们必须大大减小振幅

因此信号已经非常微弱,衰减了因为它被传输到地球所以更大的损失由于激光束的扩大而发生最大的损失在38,000公里之后,它在地面上的直径为800米,而接收站中的镜子直径仅仅是27厘米进一步接收镜子,未经邀请的听众可以用来窃听通信,可以很容易地容纳在一个扩大到这种程度的光束中

然而,量子加密程序将这一点考虑在内

在一个简单的图片中它利用了这个事实一个光子 - 这是量子通信所采用的信号 - 只能完全测量一次:用合法的接收器的测量装置t或间谍的窃听装置然而,光子在光束直径内的记录位置仍然是偶然的

尽管信号大大减弱,但2016年初进行的实验仍然成功,因为科学家发现在地面上接收到的信号的特性非常接近量子噪声的极限激光的噪声是物理学家用来描述探测到的光子变化的术语

这种不规则性的一部分是由于传输的不足造成的

在大气中接收设备或湍流,因此原则上可以避免其他变化是由量子物理定律产生的 - 更确切地说是不确定性原理 - 根据这些定律,光的幅度和相位不能同时指定到任意精度水平量子密码学可以使用已建立的卫星技术自助传输Tesat系统已经可以测量光脉冲的量子特性,这种技术可以作为开发基于卫星的量子密码学的基础“我们对此印象特别深刻,因为卫星并非设计用于量子通信,”正如Marquardt解释的那样,与Tesat和其他合作伙伴的同事一起,埃尔兰根物理学家现在想开发一种专门针对量子密码学需求而定制的新卫星因为它们可以在很大程度上建立在经过测试和尝试的技术上,所以开发应该比一个全新的发展他们的主要任务是开发一种专为量子通信而设计的板式计算机,并使量子力学随机数发生器具有空间隔离性,从而提供加密密钥

因此,量子加密技术最初是物理学家的一个异国情调的游乐场,变得非常接近实际应用第一场比赛运营安全系统如火如荼日本,加拿大,美国和中国等国家正在为这项研究投入大量资金“我们研究的条件已完全改变,”Marquardt解释说:“一开始,我们试图行业对这种方法的兴趣,今天他们来到我们面前没有提示并要求切实可行的解决方案“这些可能在未来五到十年内成为现实 PDF研究报告:来自地球静止卫星的光信号的量子限制测量来源:马克斯普朗克研究所