開啟多人量子通訊的實驗

開啟多人量子通訊的實驗
國立臺灣大學應用物理研究所 劉伊修編譯/國立臺灣大學物理學系 王名儒教授責任編輯

編譯來源：Experiment opens the door to multi-party quantum communication

Credit: Image courtesy of University of Waterloo

量子金鑰傳輸(QKD)

想像一下你有一個很機密的資訊要傳送給遠方的朋友，為了避免機密資料外洩，你會做什麼事來防止呢？從過去到現在，人類大部份都是使用密碼來保護這些資訊，特別是在網路的時代，密碼學更是重要。但是傳統的密碼學曾有一個未解的難題：要如何把密碼給對方使得對方能開啟我傳的檔案呢？用網路傳密碼嗎？那這個密碼要用什麼保護呢？相信您已經了解，首先必須要使雙方都有第一組密碼，但是第一組密碼不能用網路傳，因為如果第一組密碼被竊聽，那麼後面的一切資訊都會被攔截。量子金鑰傳輸(Quantum Key Distribution)解決了這個難題。它使用了物質的量子性質使得我們可以安全地傳送鑰匙而不用派密使或親自轉交密碼。這項重要技術的物理基礎就在於量子糾結。

在量子科學的世界，Alice和Bob已經跟對方說話很多年了，而Charlie在幾年前也想同時加入對話。滑鐵盧(Waterloo)大學的量子計算研究所(IQC) 的物理學家們宣佈首次實現了傳遞三個糾結在一起的光子到三個相距幾百公尺遠的地方，同時也證明了對於超過兩個光子的糾結，量子非侷域性質依然存在。這實驗的發現表示在嚴格的類空間分隔條件下(亦即發生在兩個不同時間、地點的事件，其空間距離和時間距離的比值大於光速)，量子訊號可以超光速傳遞。這項成果已於近期發表在Nature Photonics，也代表多人量子通訊的可能性已大大提高。

非侷域性形容糾結的粒子們能無遠弗屆地知道彼此的狀態的能力，在量子的世界，這暗示了可用超光速的速度來傳送資訊。量子糾結，曾被愛因斯坦描述為幽靈般的超距作用，因為它與愛因斯坦所說的區域作用原則(principle of local action)相牴觸。愛因斯坦認為相距遙遠的物體無法對彼此有立即的影響，任何兩個物體間的交互作用最快也只能以光速傳遞。

為了驗證三個光子的相關性是由量子糾結所導致而非由區域隱變數(hidden local variables)所造成，IQC的科學家需要去封閉掉被稱為侷域性的漏洞。他們設計出一種方法能把糾結的光子傳到距離實驗室幾百公尺的曠野中的拖車上並確保這三個光子間無法互相協調行為。加拿大的自然科學暨工程研究議會的光學量子科技主席Kevin Resch教授說：「從量子系統測量到的相關性能透露大自然的基礎的本質。三個粒子的糾結問題比兩個的更複雜。我們可以利用這些複雜的現象來排除掉一些理論或者把它們當成建構新的量子科技的資源。」

GHZ(Greenberger-Horne-Zeilinger)態 ： 一種至少包含三個粒子的糾結態

首先，一組包含三個光子的GHZ態生成在Resch 的實驗室，這可視為Alice所準備的資訊。其中一個光子被延遲留在實驗室內一個580公尺的光纖中，等待被量測。另外兩個光子則經由85公尺的光纖到達屋頂，再傳送到約700公尺遠而且彼此也相距700公尺的Bob和Charlie的拖車中。為了保持這種類空間的分隔，第四個人，Randy，在第三台拖車上隨機地選擇一種測量方法給在實驗室的Alice去偵測她的光子。每一台拖車的設備包含偵測器、由IQC附屬公司UQD所開發的計時器和量子亂數產生器。為了確保封閉掉侷域性漏洞，量子亂數產生器確定在每台拖車上的光子都被獨立地測量。UQD研發的計時器也用來確定實驗在很短的時間(3奈秒)內完成，確保沒有資訊能在這麼短的時間內從一地傳到另一地，這是證明糾結的非侷域性質的一個關鍵的條件。

一位這篇論文的共同作者Thomas Jennewein教授說：「把三個光子糾結在一起的想法已經出現很久了。要完成這實驗需要在時機恰當下聚集所有具相關知識技術的人。IQC恰在正確的時間有需要的各方面的人才。」

IQC的實驗宣佈三個糾結的光子的成功傳輸，這可以用來做超過兩人以上的資訊傳遞。它使多人的量子通訊成為可能，包含量子金鑰傳輸(QKD)，第三人密碼學(third man cryptography)和量子機密分享(quantum secret sharing)。這篇論文的第一作者Chris Erven，他曾是IQC的博士生現在是布里斯托(Bristol)大學的研究助理，說：「有趣的結果是：我們有能力去做超過兩人的量子通訊。QKD到目前為止已是雙人的溝通系統。這是第一次你可以想像一個多人使用多個糾結的光子的相關性來連結的網路。