随着黑客在网络犯罪活动中变得愈发老练，我们需要借助新技术提升系统安全性，甚至让系统有望做到无法被黑客攻破。
对于某些类型的黑客攻击，我们已经知道终极答案：量子物理学提供了一种绝对安全的信息共享方式，其安全性由自然规律保证。
基本的 量子通信理念 简单而优雅。但简单的想法往往会在现实应用中遭遇种种难题。
幸运的是，量子物理学研究正在提供更先进的工具，彻底解决这一问题。这项技术尚未成熟，但正在走向成熟。
问题的关键
设想这样一种情形：两方——姑且称他们为爱丽丝和鲍勃——想通过网络发送安全信息，例如在线购物时的信用卡数据。
假设他们各自持有一份完全相同的随机数列表，且只有自己知道。他们可以用这份列表作为 密钥 来加密并发送无法破解的信息。但他们最初要如何生成这把共享密钥呢？
在不使用量子物理学的传统方法中，爱丽丝向鲍勃发送一把由普通信息位（0和1）组成的密钥。但密钥可能被截获、复制，然后在爱丽丝或鲍勃不知情的情况下继续传送。这会损害安全性，因为一旦密钥不再保密，其他人就可能用它解密密钥所加密的信息。
巧妙的数学技术 可以让窃听的网络罪犯伊芙难以利用截获的密钥。但只要时间足够，或者未来出现了 量子计算机，密码仍可能被破解。
安全的量子密钥
这正是量子物理学发挥作用之处。先从简单版本说起。爱丽丝用量子比特（qubit）而非普通比特向鲍勃发送密钥。为此，她可以使用光子，即单个光粒子。
与普通计算机比特不同，光子量子比特可以同时取 0 和1两种比特值。这就像薛定谔的猫在 著名的思想实验 中既死 又活一样。光子量子比特可以处于普通的0或1状态，也可以处于奇异的 叠加 状态；随机选择这些状态，就构成了爱丽丝发送的密钥。
光子遵循 海森堡不确定性原理 ，因此伊芙一旦测量它们，就会改变它们携带的信息。
这种改变会让爱丽丝和鲍勃发现攻击，因此他们会丢弃密钥，而不使用它来加密信息。如果没有攻击，他们就可以用这把私钥以绝对安全的方式加密信息。
这一简单版本的量子密钥分发（QKD）可以保护信道——例如光纤——免遭入侵。
但还有另外两个可能遭受攻击的位置：爱丽丝发送光子的设备，以及鲍勃测量光子的设备。这个简单协议假定这两种设备都绝对安全。
但爱丽丝和鲍勃如何确定设备供应商没有与伊芙串通？网络罪犯很擅长建立复杂的网络，那么人们究竟如何知道该信任谁？有什么办法能解决这个新问题以及同样棘手的变体问题？
我们织就多么纠缠的网络
答案是 量子纠缠。两个纠缠光子的量子态彼此关联：测量一个光子中存储的信息，就能了解另一个光子中的信息。
即使两个光子相距很远，甚至位于地球两端，这种效应依然成立。
事实证明，对第一个光子的测量总会得出随机结果，具体来说，是随机的0或1比特。这听起来有用吗？理应如此——如果爱丽丝和鲍勃分别对纠缠对中的两个光子进行相同测量，就会得到一个随机 但彼此共享的数字。对许多纠缠对重复这一过程，他们就能生成密钥。
来看一个例子。爱丽丝制备一对纠缠光子，并把其中一个发送给鲍勃。如果爱丽丝随机测量的结果为0，那么鲍勃的测量结果也会是0。
对于第二对以相同方式制备并分发的纠缠光子，爱丽丝测得的结果可能是1，鲍勃也会测得1。如此继续，他们便能累积一长串共享的随机比特，用作密钥。伊芙若试图测量其中一个光子，就会破坏纠缠，而这一效应能够被爱丽丝和鲍勃检测到。
因此，只要爱丽丝和鲍勃能够验证彼此共享纠缠，就能证明信道值得信任。
不仅如此，他们还可以利用不可信的设备，检查这些设备本身是否真的可信。
等等，什么？这听起来就像让一个被怀疑是骗子的人判断自己有没有撒谎。这不可能奏效！但它 确实 有效。纠缠所包含的信息关联太强，遭到入侵的设备无法伪造。
现实世界中的量子安全
研究人员已经开发出若干基于纠缠的技术变体，可在设备不可信的情况下实现安全通信。
我与团队开展的一项 近期实验 采用了一种名为量子导引的纠缠检验方法。导引以放弃对鲍勃设备的安全保证为代价，换取对现实世界不完美因素的鲁棒性（在真实而不完美的光纤中，信息会有些混杂）。
但我们通过为鲍勃的测量设备编程、加入额外的光子量子比特，恢复了该设备的安全性。根据海森堡不确定性原理，被入侵的测量设备无法提取这些额外编程光子中编码的信息，而这正是作弊通过导引测试所需的知识。
这就是量子物理学最奇妙的一面。尽管鲍勃的设备正在执行程序指令，却无法了解这些指令的全部内容！
从本质上说，与一些其他基于纠缠的方法相比，我们的导引方法应该更易于实施；与另一些方法相比，它对现实世界不完美因素的鲁棒性更强。
即将到来
接下来会怎样？简单QKD系统的商业原型已经问世，并已用于 保护现实任务中的信道 ，例如在银行分行之间传输信息。
但现有商用设备也曾因 攻击爱丽丝或鲍勃的设备而遭到入侵，因为它们的设计目标仅是保护信道。正如我们所见，基于纠缠、用于保护终端设备的方案如今已得到演示。希望这些方案能在未来五年左右达到商业成熟水平。
要应用这类量子通信安全技术，用户除了需要现有计算机网络，还需要用于共享纠缠的量子链路。量子链路可以非常简单，例如一根连接两台QKD设备的光纤，爱丽丝和鲍勃各有一台；这些设备再分别接入进行通信的计算机。
更长或更复杂的链路可能需要改造现有光纤网络，并加入正在开发的新型量子信号增强设备（称为量子中继器）。不过，也可以设想采用移动QKD来安全传输数据，例如使用支持量子通信的智能手机与ATM交互。
只要需要保护传输中的信息，就可以应用QKD技术。银行或财务信息、个人数据、电子邮件和健康记录，只是一些需要通过外部数据线路安全传输的机密信息示例。
但这项技术并不能直接用于保护计算机免受直接黑客攻击。对于有人猜测密码或利用病毒访问用户账户的攻击，它无法提供防护。
人们或许会设想，可以调整同类量子物理原理来应对这些问题；事实上，这仍是一个开放的研究问题。
因此，量子通信虽然无法解决所有网络犯罪问题，但令人欣慰的是，对于某些关键信息传输，自然规律本身就能击败黑客。这是一条你可以安全地与朋友分享的信息。
本文最初发表于 The Conversation。阅读 原文。该文发表并不代表世界经济论坛认同其中观点。
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作者：Geoff Pryde是一位量子物理学家，研究领域包括量子信息、计算、测量、控制和光学。
图片：一幅插画展示了一名男子手持笔记本电脑，身上投射着二进制代码。路透社/Kacper Pempel。
