量子密码学为计算机提供了一个未来，计算机之间可以通过超安全的链接进行通信令人眼花缭乱的量子物理学。但事实证明，将研究实验室的突破扩大到拥有大量节点的网络是困难的。现在，一个国际研究团队已经建立了一个可扩展的全市范围的量子网络，以共享加密信息的密钥。

网络可以在不引起昂贵量子硬件成本的不合理增长的情况下扩大规模。此外，该系统不需要任何节点是可信任的，从而消除了任何削弱安全性的薄弱环节。

“我们已经在实验室和布里斯托尔市部署的纤维中进行了测试，”英国说Siddarth Koduru Joshi布里斯托大学的教授。他和他的同事证明了他们的想法使用一个有8个节点的量子网络，其中最遥远的节点相距17公里，这是通过连接它们的光纤长度来衡量的。该小组的研究结果发表在《科学》杂志上科学的进步9月2日。

两人成伴，三人成群

量子密码学涉及使用量子物理定律来创建用于编码和解码信息的私钥，这个过程被称为量子密钥分发(QKD)。

在QKD最常用的协议中，一方Alice准备并发送一个量子比特给另一方Bob。量子比特是一种两态量子叠加的粒子。鲍勃随机选择一组粒子的测量值。如果Bob选择了正确的测量类型，他将知道Alice在量子位中编码的值。在这样的量子位的一系列测量之后，Alice和Bob公开交换记录，并同意使用Bob测量的某个子集的结果(双方都知道这个子集的每个量子位的值)。他们抛弃了其他的测量方法。至关重要的是，这些结果不是公开的，Alice和Bob使用它们创建一个私钥来加密和解密通过公共链接发送的消息。

但这种方法很难扩大规模。假设您想向网络添加另一个用户Charlie。一种选择是让鲍勃和查理建立一个安全链接。然后爱丽丝可以通过鲍勃向查理发送信息，但她必须信任鲍勃。

“这不是很有吸引力，”一位团队成员说塞巴斯蒂安·诺伊曼Quantum光学与量子信息研究所 - 维也纳。“整个点加密是无条件的安全性。”

为避免不得不信任鲍勃，查理可以直接连接到Alice和Bob。现在，这两个需要额外的硬件来与查理通信，因为无法在不中断现有数的情况下添加新节点。当您添加一个时，出现了这个问题额外的节点。随着新节点的增加，对成本和复杂度的要求越来越高。例如，双节点组网有一条链路，三节点组网有三条链路，八节点组网有28条链路，100节点组网需要4950条链路。

Joshi和他的同事使用了另一种量子密钥分配协议，该协议涉及在任意两个节点之间共享纠缠粒子，从而设计了一种新型网络，克服了这些问题中的许多。

一个城市多路复用

在这个协议中，爱丽丝和鲍勃使用纠缠光子对来创建一个私钥。给定这样一对光子中的一个，Alice随机地进行一组测量。鲍勃对他的粒子做了同样的处理。因为光子是纠缠的，如果Alice和Bob做相同的测量，他们会得到相同的结果。两人公开分享了他们对配对粒子的测量序列。然后他们选择能给他们相同结果的子集，抛弃其他子集。这些从未公开披露的结果构成了私钥的基础。

而不是构建八个节点中的每一个物理连接到所有其他节点的网络，而是创建一个带有一个中央源的一个中央源，它将缠结的光子发送到八个节点，命名为Alice，Bob，Chloe，Dave，Feng，Gopi，海蒂和伊万。每个节点仅通过单个光纤链路连接到源，总共八个链接 - 远低于28，传统QKD没有可信节点所需的28。

因此，即使节点之间没有物理连接，研究人员开发的协议通过神奇的量子纠缠在每对节点之间建立了一个虚拟连接，这样每对节点就可以创建一个私钥。

中心光源有一个所谓的非线性晶体，它吐出一对光子，在它们的偏振中纠缠在一起。这些光子的波长大约为1550纳米，正负几十纳米。如果我们要寻找一个光子，比如说1560纳米的光子，能量守恒定律规定，它的纠缠对象的波长应该是1540纳米。其中一个这样窄的波长就是信道。中心光源将初始纠缠对的波长分成16个通道，其中8个通道分别位于1550纳米左右，距离相等。这样做可以有效地创建8对通道，一边编号为1到8，另一边编号为-1到-8。通过测量，光子当然只能在一对通道中找到，而不能在其他通道中找到。

然后将这些信道组合或多路复用在相同的光纤中并发送到每个节点。每个节点都会获得不同的通道组合。例如，Alice接收到通道2,6,7和8;戴夫收到-6，-4，-3和1;和GoPi接收-8,5,4和-2。选择波长，使得任何两个节点总是共用至少一对可以在它们中缠结光子的通道。在上述方案中，Alice和Dave份额频道6和-6;Alice和Gopi份额2和-2和8和-8;和戴夫和gopi share -4和4。

每个节点监视它所有的通道，以测量潜在光子的偏振状态，如果它出现在其中一个通道中。因此，如果一个光子探测器点击了Alice，她有效地进行了测量，看看光子是在一个方向(水平或垂直)还是另一个方向(对角线或反对角线)偏振。当它发生的时候，只有一个其他节点在同一时间检测到相应的纠缠光子。

在通过大量缠结光子的一系列这种测量之后，节点广播它们的光子计数以及检测到光子时的相应时间戳。该信息允许节点确定通过哪对节点测量的光子对。例如，Alice和Dave意识到它们在一定时间戳的检测数量中具有很强的相关性。这种相关性表示它们的缠结光子的份额。Alice和Dave现在可以使用这些测量结果的结果来建立其中两个之间的钥匙。

加强安全

添加一个新节点很简单:只需将其连接到中心源，而中心源只需修改其信道拆分和多路复用方案。但是现有的节点都不需要担心。“随着网络的变化，爱丽丝不需要改变任何事情，”乔希说。

此外，所需的额外硬件随节点的增加呈线性增长——与早期技术相比，这是一个很大的改进。至关重要的是，这些节点中没有一个必须被信任，但是它们中的任何一对都可以建立一个安全的链接来创建一个牢不可破的量子密钥，这个量子密钥可以用来对信息进行编码和解码。

未来的大规模量子网络将必须解决至少两个主要问题:一是它们必须相互连接任意数量的用户。其次，这样的网络必须跨越巨大的大陆内和洲际距离——这就需要使用量子中继器来扩大量子态分布的范围卫星将量子比特或纠缠粒子传送到地面上的节点上。

罗纳德·汉森代尔夫特理工大学没有参与这项新工作的尼德兰承认，这项工作将把量子密钥分配扩展到“在有限的量子密钥分配范围内，没有中继器的更多用户”。

Joshi的团队承认，他们的工作还没有解决距离大于一个小城市的跨度的问题。为了增加距离，研究人员正在考虑使用卫星来携带纠缠光子的中心源。“我们正在努力使这样的源空间兼容，”乔希说。“我们必须让它足够强大。”