High-rate multipartite quantum secret sharing with composable security
本文通过实验演示了一种基于在 20 公里光纤网络中分发 4 比特 GHZ 态的高速率、可组合安全的多方量子密钥共享协议，该协议实现了每秒 750 比特的密钥率，并预计 24 小时安全密钥产量为 8.7 Mbits，同时提供了针对一般攻击和参与者攻击的鲁棒安全性。
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在未来，互联网可能会演变成比我们今天使用的网络更加安全的形态，依靠量子物理学的奇特规则来保护信息。这场潜在变革的核心是一个被称为“量子秘密共享”的概念。想象一个保险库，只有当特定的一组人共同协作时才能打开；如果缺少哪怕一个人，秘密都将处于锁定状态。这就是秘密共享的本质——一种将信息片段分发给许多人的方法，使得只有获得授权的团队才能将其重构。虽然目前已存在经典版本的技术，但它们依赖于数学复杂性，而这种复杂性有一天可能会被强大的计算机破解。量子秘密共享提供了另一条路径，利用自然界的根本法则来检测是否有人试图窃听或进行不诚实的行为。挑战在于如何在现实世界中实现这一技术，尤其是在处理多个互不信任的参与者，以及确保即使在收集的数据点有限的情况下系统仍能保持安全的问题时。
一组研究人员现在通过展示一种既快速又具有严格安全性、且可运行的该技术版本，取得了重大进展。他们构建了一个实验来测试一种协议，在该协议中，一个中央分发者将秘密分发给一组参与者，确保只有在组内所有人协作时才能恢复该秘密。研究人员使用光粒子（具体为光子）来携带信息。他们生成了一种特殊的四光子态，这些光子以一种违背经典直觉的方式相互关联在一起：测量其中一个会瞬间影响其他光子，无论它们相距多远。这种被称为 GHZ 态的关联态，成为了承载秘密的媒介。该团队成功地实现了每秒超过五千次的四光子关联生成速率，对于如此复杂的量子态而言，这是一个非常高的速度。
该实验的设计不仅是为了测试速度，也是为了测试针对特定威胁的安全性：即不诚实的参与者。在以往的许多尝试中，组内单个不诚实的参与者可以通过操纵其行动顺序，在不协助他人的情况下获取秘密。研究人员实施了一种新方法来防止这种情况。通过仔细分析测量数据，他们推断出，在假设源和设备统计特性保持平稳的前提下，即使一个或多个参与者试图进行不诚实行为，系统也会保护秘密。他们通过总长二十公里的光纤网络分发这些关联光子，模拟了中央服务器与三个不同用户之间的现实世界连接。其布局呈星形结构，光源位于中心，用户位于各个分支的末端。
在十小时的实验室运行过程中，团队收集了数百万个测量事件。他们通过分析误差和光子到达率，来计算可以安全提取多少秘密信息。结果显示，在理想的无限场景下，系统可以生成约每秒 750 比特的密钥速率。更重要的是，在考虑了数据量有限的事实后，他们的计算表明，运行这一优化后的系统一整天，可以产生近九百万比特的安全秘密。这一下限证实了该协议不仅在理论上是成立的，而且在实践上对于生成大量的安全数据是可行的，前提是系统能够进行真正的随机基矢选择。
研究人员还解决了效率问题。在早期版本的此类协议中，参与者必须随机且均匀地选择测量设置，由于设置往往无法匹配，这浪费了大量潜在的数据。该团队证明，通过将设置的选择稍微向最有用的配置进行偏移，可以在不损害安全性的情况下，大幅增加生成的秘密密钥量。这种优化使他们的效率达到了与最受信任的通信方法相当的水平，同时具备了检测不诚实参与者的额外安全性。实验依赖于高质量的晶体来产生光子，并使用超导探测器进行计数，从而确保系统中的噪声保持在足够低的水平，以维护秘密的完整性。
虽然这次演示是一个原理验证，但它凸显了未来量子网络如何安全地协调人群的路径。研究人员指出，将规模扩大到更大的网络需要更先进的光源以及更好的处理长距离光子损耗的方法。他们还指出，目前的装置使用电机化设备进行分块切换测量设置，这比完全安全、实时的系统所需要的速度要慢。具体而言，实验中使用的分块采集方式并不能重现实现可组合安全性（针对一般攻击）所需的对抗性随机采样条件；因此，报告的数值应被视为对于具备真实随机基矢选择实现的性能预测。然而，收集到的数据为可能达到的水平提供了坚实的基准。通过将高速生成与考虑到有限数据和不诚实用户的严密安全性分析相结合，这项工作将量子秘密共享从一个理论构想转变为切实的现实，为群体如何在互联的世界中共享秘密提供了一个新的标准。
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