引言

量子技术,是目前备受关注的新兴前沿领域。但是目前为止的研究,大多还局限于是实验室设备。然而,西班牙科学家利用光子集成电路技术,创建了量子数字随机发生器,应用于数据加密和复杂计算,体积小,速度快,易集成,有望将量子加密技术推向商用

量子加密技术

在日常生活中,例如网购商品或者ATM取款,都涉及隐私和安全。为了保证这些,技术上一般是通过加密来实现。然而,在传统密码学中,信息的发送者和接收者预先决定加密代码即密钥,只有密钥可以解密这些加密信息。但是,随着计算机技术的发展,计算的速度和能力都达到前所未有的规模,所以加密的新型很容易遭到攻击和破解。


量子加密,是通过量子技术来传送密钥,加强了传输密钥的安全性。在这个过程中,一般是通过量子力学随机生成一个密钥。发送者A,通过极化光子,在不同方向上发送密钥;接收者B,通过量子探测器接受密钥。量子加密的优点是,如果攻击者尝试拦截A或者B的信息,由于量子力学属性,密钥本身会发生变化


之前,IntelligentThings在《激光技术带来超快超安全的量子加密》一文中(点此阅读),展示了激光进行量子加密的例子,有兴趣的朋友可以参考阅读。




随机数发生器

然而,通过以上的分析,密钥一般是密码学的关键,而密钥通常又是通过随机数发生器产生的。所以,随机数发生器关键性不言而喻。

  • 现有的随机数发生器和缺陷

现有的随机数发生器,基本上都是利用计算机算法或者随机性的物理过程,本质上就是一遍又一遍掷骰子获取随机数。尽管,这样发生数字是随机的,但是某些特定信息却又是已知的,例如使用“骰子”的数量,这样会让留下漏洞,让黑客发起攻击。

  • 量子随机数发生器和缺陷

 
然而,量子设备则基于一种固有的随机:光的量子属性。合作研究的领导者Valerio Pruneri称,这样的量子过程可产生真正的随机性。尽管,目前也有其他研究人员已经开发出这种随机数字发生器,但是要么偏大,要么偏慢

  • 新型量子随机数发生器

 
在这项新研究中,研究人员尝试使用了新设计,在密闭空间中,使用两束相互干涉的激光。这样使得设备更小,同时保持在之前实验中同样的性能属性。

 
PIC技术

为了创建这种量子发生器,研究人员使用了光子集成电路 (PIC)技术。PIC技术,提供了一种集成光子组件的方案。新型量子随机发生器,主要使用到激光器和检测器。研究人员将它们集成到芯片上,减少占用空间,降低功耗。对于将量子技术小型化到芯片上,之前IntelligentThings也有过相关介绍,例如《新型芯片:集成光量子技术,更具有应用性!》(点此阅读),以及《突破性的光子处理器带来了量子计算的飞跃》(点此阅读),供大家参考。

基于PIC的设备,最重要地是可以集成到传统电子设备上,将随机数发生器应用于计算或者通信的电子设备上,能够进行驾驶、阅读、运算等。研究人员称,他们通过PIC技术,证明量子技术具有实用性。量子随机数生成,量子密码学、和其他基于量子的技术,将从PIC技术中受益。研究人员首次演示了这项技术,以后可以通过它构建商用和创新产品。




应用领域

关于量子加密技术和小型化量子技术的应用,IntelligentThings之前也做过一些报道,例如《量子计算机的发展会破解RSA加密算法吗?》(点此阅读),《保持长距离安全通信的量子系统》(点此阅读),《通用量子计算机领域的重要进展:“小型化量子位”技术》(点此阅读)。

集成化的量子随机数发生器是一项重大进展,可为计算机、平板电脑以及移动电话,提供最高质量的数字及最高的安全级别基于量子力学发布的加密密钥安全性极佳,且设备的体积足够小,可放置在移动设备里面。

新设备以吉比特每秒的速度级别运行,对于通信数据实时加密来说足够快。它可以用于手机和视频电话、对于来自社交媒体平台服务器大量数据进行加密、也可以用于股票市场预测、随机过程的复杂科学模拟例如:生物相互作用或核反应

未来展望

“我们将曾经用于高级别科学实验的量子技术,做成足以商用的产品,” 论文的第一作者、光子科学研究所 (ICFO)的博士研究生、西班牙巴塞罗那科学和技术研究所的成员,Carlos Abellan说道,“这很可能只是一个即将在真实产品中进行量子技术商用的例子。相对于集成而言,这标志着迈开了重要的一步。

 

研究论文和团队

这项研究的论文发表在在光学界具有高度影响力的期刊《光学》上,是来自多个研究所的研究人员合作的成果。研究机构包括位于西班牙的ICFO光子科学研究所、巴仑西亚理工大学VLC光子研究所、ICREA,以及意大利米兰理工大学。

参考资料

【1】C. Abellan, W. Amaya, D. Domenech, P. Muñoz, J. Capmany, S. Longhi, M.W. Mitchell, V. Pruneri. “A quantum entropy source on an InP photonic integrated circuit for random number generation,” Optica, 3, 9, 989 (2016). DOI: 10.1364/OPTICA.000989.

【2】http://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2016/new_chip_could_bring_highest_level_of_encryption_t/?utm_source=osaHome&utm;_medium=slider&utm;_content=sliderlink&utm;_campaign=Encryption%20Chip


新型光子集成电路技术:将量子加密推向商用
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