“量子秘密共享”方案允许10方安全通信

南非的研究人员已经开发并演示了一种“量子秘密共享”方案，该方案允许10方安全地共享信息--这是迄今为止最高的数字。该协议涉及每一方在不测量光子状态的情况下对光子执行量子操作，该团队表示，这可以帮助提高安全量子网络上数据共享的速率，以及可以参与共享的各方数量。

在最初的量子密钥分发(QKD)协议中，称为Alice和Bob的双方通过在不可信链路上交换在两个可能的基地之一中偏振的光子进行通信，每个都随机地改变他或她的发射器或接收器的偏振基础。在传输结束时，Alice和Bob向对方透露了他们用来测量发送和接收的光子的基准，但没有透露测量的结果。然后Alice和Bob公布了他们在同一偏振基准下测量的光子样本的结果，以检查发射的偏振总是与接收的一致。如果是这样的话，他们可以使用他们在相同的基础上测量的剩余光子来形成一个安全的加密密钥，使他们能够使用传统的电信技术进行安全的通信。截获光子的第三方不可避免地会干扰它们的状态，所以爱丽丝和鲍勃的一些测量结果不一致，他们知道线路被窃听了。

虽然商用的量子密钥分发系统是可用的，但该协议也有其不足之处。其一，光子偏振只有两个正交态。它们传统上用于表示1和0，就像在传统的比特流中一样。然而，考虑到发送和检测孤立的单个光子的技术困难，非常希望在每个光子中填充更多的信息。因此，在这项新的研究中，约翰内斯堡威特沃特斯兰德大学的安德鲁·福布斯和他的同事们不是用光子的偏振来编码数据，而是用它的轨道角动量(OAM)编码-原则上，OAM可以无限大。“两极分化只有两种可能，就像硬币只能是正面或反面，”福布斯解释说，“OAM就像一个无限大的骰子。”

第二个问题是传统协议只允许成对通信。“一旦接收器进行测量，光子就会被摧毁，”福布斯解释说。“从根本上说，你不可能将这个网络扩展到两个人之外。当然，收到它的人可以重复整个练习，但这不是正常的网络工作方式。您希望能够将您的信息发送给多人…。你希望他们只有在你信任他们的情况下才能解密。“。

为了解决这一缺点，福布斯和他的同事们创造了一种“传递包裹”的方案，通过该方案，叠加了11种可能的OAM状态的光子可以在10方之间顺序发送，最终返回到最初的发送方。每一方在光子的OAM上执行一组可能的预定义操作中的一个或多个，但是这些操作中没有一个测量其状态。只有在光子完成其电路之后，最初发射光子的那一方(“分配器”)才会测量其最终状态，并将其与最初传输的光子的状态进行比较。

“福布斯”解释说：“在这项最后的测量中，有一种方法可以判断人们是否做了他们不想做的事情。”否则，每一方现在都会宣布它对光子执行了什么操作。“这个绕过各方的光子，现在承载着每一方强加给它的所有信息。”

如果双方相互信任，他们可以使用此信息共享秘密消息，而不必与第三方交换任何有用的信息。光子的实际状态只有分配者才知道。更好的是，福布斯表示，理论上它并不要求所有各方都要信任。“在我们的实验中，我们有10个政党，我们设定所有政党都必须相互信任，但实际上你可以有任何少于10个的政党，”福布斯说，“在我们的实验中，我们有10个政党，我们设定为所有政党都必须相互信任，但实际上你可以有任何少于10个政党的政党。”“所以，我可以设置它，让信息分布在10个人之间，但只要两个、三个或四个人相互信任，那么这些各方就可以合作提取密钥。这就是协议的力量：以安全的方式分享和分发秘密，这是QKD不允许你做的。“。

南加州大学(University Of Southern California)的艾伦·威尔纳(Alan Willner)表示：“安德鲁·福布斯(Andrew Forbes)和他的团队做了出色的工作，它为真正的量子系统可能使用的东西增加了一个重要的层面。这种11维、10方的沟通真的是向前迈出了一大步。”