在20世纪80年代，物理学家开始提出基于量子的加密方法，对数据进行加扰以保证其安全性。这些方法利用了量子系统的一个特性：对这些系统的测量会内在地改变系统的属性。具体来说，这些协议涉及对量子对象的连续测量，其统计数据应该可以揭示任何窃听者。然而，研究人员一直在努力构建完全按照协议规定工作的设备。现在，中国、德国、英国的三个研究小组，已经独立地进行了量子加密方法的原理验证实验，实验结果表明，即使使用的设备的行为与预期的不完全一样，也可以保护信息。德国研究小组的Charles Lim说，这些演示是“网络安全的重大突破”。
这三个实验分别展示了与设备无关的量子密钥分发 (DIQKD) 的加密方法的各个方面。在 DIQKD 中，一个设备会重复产生成对的纠缠量子粒子。Alice和Bob，每人从每一对中提取一个粒子。然后，Alice和Bob创建了一个“密钥”——由1和0组成的可以编码和解码信息的字符串——部分是通过对其粒子的两个结果属性进行一系列测量。如果这个粒子是光子，这个属性可能是它的极化，它可以是水平的或垂直的。对于原子，它可能是原子的状态（基态或激发态）。因为对一个粒子的测量结果与其纠缠对应的结果相关，所以 Alice 和 Bob 在一些后处理后可以生成一个共享密钥。
当 Alice 和 Bob 进行这些测量时，他们会间歇性地使用基于称为贝尔定理的量子规则的测试来验证其通道的安全性。根据贝尔定理，如果两个粒子纠缠在一起，那么对这些粒子的测量必须表现出特定的统计相关性。对于这个测试，Alice和Bob使用测量值的一个子集来生成密钥。然后他们检查测量结果是否符合规定的统计数据。如果不匹配，Alice和Bob就知道他们的粒子不再纠缠，这表明他们不能再保证信道的安全性。然后他们放弃测量结果，重新开始这个过程。
研究人员已经用数学方法证明了DIQKD的安全性。对于依赖于分解大数的计算难度的标准经典加密方法，则不存在这样的证明。研究人员预计，未来的量子计算机将能够快速分解这些数字，从而使当前的经典加密过时。另一方面，法国国家科学研究中心(CNRS)的Jean-Daniel Bancal说，DIQKD提供了“对抗具有任意处理能力甚至是量子计算机的对手”的安全性。
对于新实验中使用的 DIQKD 方法，Alice 和 Bob 不需要有关生成粒子的设备的信息，这意味着研究人员“不需要对 [他们的] 设备进行建模”，西班牙光子科学研究所的Antonio Acín说，他没有参与任何实验。“你可以把它们当作黑匣子。” 因此，这些方法避开了其他量子加密协议的漏洞，其中一些协议已经在商业技术中实现，比如瑞士ID Quantique公司的一项技术。2007 年，瑞士政府使用 ID Quantique 的加密设备来保护其全国大选的选票。但到 2010 年，两个研究小组利用 ID Quantique 的操作与理论描述之间的差异成功入侵了 ID Quantique 的设备。例如，一个团队在Alice和Bob都没有注意到的情况下，通过利用机器连续产生光子的时间间隔截获了一个加密密钥，理论上，这个时间间隔必须在没有延迟的情况下产生。
“真实的设备不同于数学模型，”中国科学技术大学的Qiang Zhang说，他是中国团队的成员。“如果不充分了解这种差异，就可能为攻击留下后门。”
虽然三个实验采用了相似的DIQKD方法，但它们之间存在显著差异。中国的研究团队使用的是纠缠光子；英国的研究团队是纠缠锶离子；德国的研究团队则是纠缠的铷原子。“每一种都有自己的优势，”张教授说。例如，当使用原子和离子时，研究人员可以跟踪纠缠对中的两个粒子。他们无法追踪两个纠缠的光子。当一对光子中的一个光子丢失时，这就对安全性提出了其他实验要求，张教授的团队能够满足这些要求。然而，光子被用于许多现有的通信技术中，例如，可能使使用光子实现量子技术变得更容易和更快。
只有英国的实验完成了整个 DIQKD 协议，在大约 8 小时内生成了一个 95,000 位的加密密钥。德国的实验在两天内产生了几千位，足以用于一小部分密钥，但由于时间限制，它没有完成密钥。中国的实验也没有生成完整的密钥，因为他们的探测器无法跟踪足够多的纠缠光子对来做到这一点。该团队表示，一旦他们提高了探测效率，他们的系统应该只需要几分钟就能生成密钥。
在所有的实验中，Alice和Bob相距不到一公里。在中国它们相距 20 到 220 米，在德国相距 400 米，而在英国它们仅相隔 2米。Acín 说，由于这些距离限制，演示尚未表明 DIQKD 可以成为一种实用技术。为此，研究人员需要证明这些方法在千米范围内的可行性。Lim 说，他们还需要更快地生成密钥的方法。
考虑到这些工程上的挑战，张教授认为商业的DIQKD加密工具不太可能很快实现。但他仍然认为新的演示有价值。“这似乎是一件荒谬的事情，”他说。但这些实验表明，“即使使用你不信任的设备，仍然可以生成安全密钥。”
参考链接：
https://physics.aps.org/articles/v15/116
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.050502
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04941-5
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04891-y
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