愛因斯坦的“幽靈”超距作用實現多方量子安全通信網

量子力學理論可以完美的描述自然界中最小的物理體系，比如原子和光子。正如1935年愛因斯坦、波多爾斯基、羅森在他們著名的Einstein-Podolsky-Rosen paradox中提出的，量子力學具有令人驚訝的特性：處于位置和動量理想關聯量子态的一對粒子，在一定時刻後空間上完全分離，對其中一個粒子測量會瞬間影響遠處另一個粒子的量子狀态。這種被愛因斯坦稱之為“幽靈般”的超距作用(spooky action in a distance)最近被稱之為“EPR steering”，即量子引導。與一般量子糾纏的不可分性相比，它具有非定域性(nonlocal)特點，即：Alice對A粒子某個觀測量的測量可以引導遙遠的與之糾纏的B粒子到該觀測量的本征态上，從而可以較為精确的預言Bob對B粒子的觀測結果。

最新的研究表明，這種特殊的量子糾纏可以由三人或多人共享，用來作為安全通信加密所需的量子密鑰，這意味着多方量子秘密通信成為可能。這一研究成果由beat365“介觀光學與飛秒光物理”創新研究群體何瓊毅研究員、龔旗煌教授與澳洲國立大學和斯威本大學合作完成，發表在2015年1月的《自然物理》上【Nature Physics11, 167-172 (2015)DOI:10.1038/nphys3202】。原則上，這種由多方共享的量子引導糾纏作為保密通信的安全基礎，可以抵禦信息傳輸過程中的任何黑客攻擊，這可以為未來的多方量子通信網絡提供前所未有的安全保證。該研究工作的實驗由澳大利亞國立大學P. K. Lam教授利用多模光場系統完成，理論由beat365和澳洲斯威本科技大學完成。

如圖所示，四方共享一個包含四個粒子的具有量子引導糾纏的量子态，發送方Alice 把秘密信息加密在她擁有的粒子的振幅和位相上，其餘三個接收方分别對自己的粒子進行測量，隻有當他們相互協作共享測量結果才能推斷出Alice所擁有的粒子的測量結果，同時将加在上面的秘密信息解密出來。通信過程中，隻要發送方的測量是安全的，那麼任何形式的黑客攻擊，無論是對傳輸中的信息竊取還是對接收方測量裝置的破壞，都會被探測出來，因此這種通信方式是絕對安全的，并且由于發送方不需要信任接收方的測量，即使接收消息的裝置已被篡改，量子傳送的消息還将保持安全，從而實現對接收方設備不依賴的安全通信，這是由多方之間共享的愛因斯坦的“幽靈糾纏”的性質決定的。多方通信的安全為未來網絡條件下的信息安全提供了理論基礎。

這是光學所成員在量子多體糾纏和保密通訊研究上取得的又一個重要進展。近期的研究成果還包括：理論給出了便于實驗檢測的雙模高斯态量子關聯的分類判定和度量【Physical Review Letters, 114(6), 060402 (2015)】，并針對多體量子系統給出真正多體量子引導關聯的實驗檢測判據【Physical Review Letters, 111 250403(2013)】。國際著名科技新聞網站Phys.org等對這項研究工作進行了題為“Einstein's 'spooky' theory may lead to ultra-secure Internet”和“Extending Einstein's spooky action for use in quantum networks”的專題報道。

該研究工作得到國家自然科學基金委、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室及量子物質科學2011協同創新中心的支持。