HHRI/精進量子密鑰分發技術,加速實現量子通訊未來

【鴻海研究院】
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鴻海研究院第二屆「NExT Forum」量子計算論壇,將主題聚焦於量子通信技術與應用,並邀請國立臺灣大學光電工程學研究所所長吳育任教授分享關於量子密鑰分發模擬器的開發。從量子密鑰分發的原理、優點到實驗實行的難度,以及藉由量子密鑰分發模擬器協助的發想過程。

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通訊時代中金鑰的重要性

上個世紀,現代戰爭的核心仍是以火藥或核武器為主,但是,在網際網路出現後,串起了全世界人們的交流,也讓資訊的傳遞越來越不受到限制。許多事情只要把握情報資訊便能掌控局勢,資訊戰不再只被限制為國與國之間的戰爭,還包含了企業間的競爭。因此,如何將資訊安全地傳遞也成為重要的事。

量子密鑰分發原理與模擬器開發

目前的資訊保密主要由傳遞方使用金鑰進行加密,將資訊變成密文後傳遞,而接收方需要同樣持有金鑰以將密文進行解密,否則無法正確地解讀資訊。金鑰的使用涉及了現代人生活的各個角落,除了帳號密碼等對於資料的保護之外,也可以用來驗證傳遞的資訊是否為真、是否被更改過。古典金鑰的難以破解性建立在古典電腦對大數質因數分解的困難上,然而隨著量子電腦的出現,這種加密方式不再絕對安全,為了尋求更安全的加密方式,科學家們開始研究量子密鑰分發。

在量子通訊中,資訊傳遞的過程擁有量子力學特性,使駭客竊聽資訊失敗的機率大幅提升。量子態具有不確定性與不可複製性、需要被測量才能決定,不同的測量方式會影響到結果,當量子態被測量時,結果可能會因為量子的不確定性而出現錯誤。因此,將被測量將資訊編碼成量子態來進行傳遞時,如果駭客想要竊聽、複製資訊時必須對量子態進行測量,會使被傳遞的量子態發生變化且立即被察覺。如果要得到完整正確的資訊,除了需要使用正確的方式去測量量子態,也需要有古典金鑰來校正因為量子不確定性而產生的錯誤。

要如何想像量子密鑰分發呢?從工程的角度去看,第一步是將資訊編碼成量子態,可以看成將無數的零與一對應成光子能量的高低,而測量方式,以吳育任教授的研究為例,則是在傳遞光子時同時控制相位的差分,如此一來,將投過光纖所傳遞到的能量,經過正確相位測量、解碼後便是所要傳遞的資訊。

量子密鑰分發模擬器的開發

現今的量子密鑰分發理論與工程研究還正在發展,在實際的實驗裡,資訊的傳遞者即代表了產生不同量子態光子的脈衝源、調整相位的儀器,傳遞資訊的光纖,資訊的接收者則代表了負責測量的干涉儀與光子探測器。在這個過程中除了要考慮上述所提的量子特性外,還需要考慮光子的傳送率、控制測量相位時的誤差與機率統計相關的物理行為。

吳育任教授開發的量子密鑰分發模擬器,在考慮到實驗中各個因素後,提供了能幫助研究學家更了解實驗結果的誤差來源與意義,找出實驗中各項參數的最佳化可能的結果,藉由這些模擬器的完善,可以精進量子密鑰分發的技術,並加速實現量子通訊的未來。(撰稿者:施麗釵)

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全文轉載自鴻海研究院TECH BLOG

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