量子世界 有位年轻的“徐霞客”

原标题:量子世界 有位年轻的“徐霞客”

人物档案

徐飞虎,生于1986年3月,现于美国麻省理工学院从事博士后研究,2017年5月入选“青年千人计划”,将于下月加入中国科学技术大学潘建伟研究团队。

(受访者供图)

“达人之所未达,探人之所未知”。明代旅行家徐霞客在探险中形成的信念,徐飞虎身上也有。从理论物理到实验物理,再到应用实践,徐飞虎的科研足迹遍布量子世界的多个领域,“开创性”成为他自始至终的追寻。

认识徐飞虎前,先认识一下爱丽丝(Alice)和鲍勃(Bob)。当然不是《梦游仙境》里的爱丽丝,也不是获得诺贝尔文学奖的音乐人鲍勃·迪伦。在量子通信系统中,发送信息的一方是Alice,接收方是Bob。

谍战电影再现:Alice和Bob是战友,他们有同一套密码本,外人看到的一张公开告示,他俩却能解读出“内情”。关键来了——在量子世界,Alice发给Bob的密钥一旦被“窃听”,就会被察觉。“密钥”即密码本,理论上是绝对安全的,因为量子信号无法被偷取或替换。

理论上绝对安全的量子密码系统,在设备不完美的现实中有可能被攻破。麻省理工学院博士后研究员徐飞虎解释:“量子态可能没有被准确制备,仪器精度的限制可能无法准确测量量子态。”

徐飞虎在实验上首次实现对量子密码系统完整的攻击,他的论文引用者这样评价他的工作,论文自2010年发表至今已被引用超过200次。不止如此,在手握“黑客之矛”的同时,徐飞虎又参与发明了防守之盾——“测量设备无关量子密码(MDI-QKD)”,以己之盾攻己之矛,第一个找到了抵御量子黑客攻击唯一可行的解决之道。

近日,第9届全球华人物理学大会在北京召开,这些他在攻读博士期间完成的研究,为他赢得了由全球华人物理和天文学会颁发的杰出论文奖。

扮演“黑客”

2010年,枫叶之国,美丽的多伦多大学。

在《哈利·波特》系列电影的古堡里、在整体玻璃幕墙的现代建筑中,一个来自中国的年轻人总是若有所思。如果用读心术扫描他的大脑,会看到一个量子密码系统的复杂构图,逐个器件在他脑中拆分,他的心思跟着量子轨迹而动。

“漏洞会出现在哪呢?”他冥思苦想要攻破的是一台来自瑞士ID Quantique公司的商用量子密码系统。“知己知彼”的兵法之道,适用于有“兵贼”角色的任何领域。徐飞虎自然采纳了黑客的思维方式:拆分复杂的系统,摸清器件的“脾气”,了解器件的原理,进而攻其软肋——哪个器件会引入安全性的问题。

这个过程非常艰苦,花费了近一年的时间。

在量子世界,人类无法亲眼见证物质运动和相互作用的过程,与普通学科不同,量子物理的研究过程一般采用“理论假设——实验验证——寻找理论与实验的差距”的研究模式。

“我的博士导师在理论上证明量子密码的安全性。我在实际中去发现器件究竟是不是按照理论设想工作的,如果不是,定位偏差,进而利用这个偏差模仿黑客进行攻击,即量子黑客攻击。”

随着偏差的发现,他们开始认识到一些器件与预想不同。徐飞虎说:“量子密码系统中单光子探测器漏洞最多也最大,它结构复杂,是材料、光学、电学等学科集成的设备,每一步都会引入偏差,积累下来会引入很多安全漏洞。”

也就是说,由于Bob端单光子探测器设备的“不完美”,理论上绝对安全的量子密码系统在实际中可能“漏洞百出”。

推倒重来

“量子密码系统容易从Bob端攻破,该怎么解决呢?量子密码创始人、我博士论文的评审Charles Bennett当时也在自己的blog(博客)指出这个问题。”徐飞虎回忆,当时摆在他面前有两个选择。

选择一,发现一个漏洞弥补一个。“就像给Windows打补丁,不定时安装新文件包。”徐飞虎说:“尽管当时欧洲、美国等都有小组在研究

打补丁,但我们认为并不可靠,如果用量子系统发送绝密情报,不能有一点漏洞。”

“修修补补行不通,要从更深一层的‘协议架构’上创新。”徐飞虎说,他们选择二,创造一个“密如铁桶”的量子信息传递路径。“既然黑客攻击单光子探测器,那就找方法取代它。”

2012年,团队构建了一条崭新的信息传输、解码“联络线”:将易受攻击的单光子探测器从Bob处移走,放在公共位置。

“‘密钥’不再从Alice直接传递给Bob,而是双方共同传递密钥给公共Server,双方随机提取一部分密钥,相互验证。如果没发现误码,说明没有‘间谍’窃听,那么剩下的部分就是安全的,可以用来加密和解密信息。如果误码很大,就说明被窃听,换个渠道重新产生‘密钥’。”

“在新的架构中,接收方的测量设备完全被解脱出来,不会对密码系统的安全性产生影响。这就是测量设备无关(Measurement-Device-Independent)量子密码系统的诞生。”徐飞虎说。

直击“落地”

2014年12月,徐飞虎来到麻省理工学院(MIT)继续博士后研究。“我想做些不一样的,”徐飞虎说,“量子技术是否有其他领域的应用呢?”

紧贴应用,挑战全新领域,徐飞虎选择量子成像作为研究切入点。与意大利米兰理工大学和波士顿大学研究组合作,徐飞虎让光子相机的原型机真正实用起来。在徐飞虎提供的研究图片中可以看到,不用算法做软件支撑的单光子相机拍摄的图像模糊成一片氤氲,匹配全新的图像处理算法的单光子相机可以呈现出清楚的图像。

博士期间对单光子探测器的破解,让徐飞虎对光子成像的原理驾轻就熟,“将量子探测理论与传统图像处理的算法结合,可以非常有效地完成单光子成像。”

“平均一个像素只需探测一个光子,”徐飞虎说,“传统相机每个像素大概需要1000个光子才能拍出清晰图像,而我们实现了超低光强成像。正如《自然—光子学》报道我们的工作‘Imaging:one photon per pixel’。”

今年9月,徐飞虎将加入中国科学技术大学潘建伟院士研究团队,生物成像、机载成像、视线外成像,他写下的研究计划直击量子技术的“落地”。

“中国在量子通信领域已经做到领先于世界,”徐飞虎说,“但单光子成像在国内研究并不多,国际上也只有3个组在做,我回来将主攻这个方向,我很荣幸能加入潘老师领导的这支世界顶尖的量子团队。”

记者手记

我读不懂他,直到现在。

几十年前,如果有人说只要0和1就能组成一个万物互联的世界,也会被读不懂。彼时是电子世界,如今是量子世界,总有人能洞察先机,拉着整个人类走进“新世界”,徐飞虎就是这群人里的一个——近十年的科研履历,却完成了很多人穷其一生无法企及的高度,他的每项研究成果都足够别人耗费一生。

当他借用别人的手机如约打来电话、和我一个字一个字地核对稿件时,我才有一点点明白他能有非凡建树的原因。其他的,一个平凡的小记,如何能读懂“达人之所未达,探人之所未知”的灵魂?本报记者 张佳星

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