量子干扰：挑战量子密码安全的终极物理问题

过去数十年间研究人员早已达成共识量子计算机终将破解当下数字世界广泛使用的各类加密算法。为应对这一风险科研人员多年来持续研发新型加密体系希望打造出能够抵御未来量子计算机破解的安全密码。与此同时科学家还巧妙利用量子力学原理搭建起安全的通信体系。但量子力学和此前的经典力学一样终究只是一套描述自然规律的理论。倘若未来出现一套更完备的理论并像百年前量子力学取代牛顿经典物理那样将现有量子力学取而代之如今这些基于量子原理的通信技术还能保证安全吗香港大学量子信息理论学家拉维尚卡尔・拉马纳坦长期从事量子密码学研究他表示“对于这类加密协议保持谨慎的态度绝非多余。我们应当尽量减少协议所依赖的理论假设不妨设想这样一种可能未来人类会发现量子力学并非解释自然的终极理论。”这种可能性确实值得深究。时至今日仍有诸多难题悬而未决比如如何统一量子力学与引力理论这也预示着后量子时代的自然理论或许会颠覆现有认知。为避免加密协议因底层理论假设存在缺陷而失效一部分量子密码学者转而探寻更本源的物理规律以此作为理论根基。他们不再局限于量子力学框架而是将研究方向延伸至因果律这一最基础的概念。隐蔽干扰量子干扰效应想要理解该领域的前沿进展可以先从量子密钥分发入手。这项技术依托量子力学规则传输密钥用于解密加密信息的秘钥全程可防范暗中篡改其核心是量子纠缠两个粒子会通过自旋等物理属性形成绑定关系。量子纠缠自带“警报机制”这源于量子力学的一条基本原理——纠缠单配性。如果有人试图窃取密钥、干扰纠缠状态这种关联关系就会立刻被破坏入侵行为也会随之暴露。但倘若纠缠单配性这一原理不再成立后果将不堪设想假设通信双方无法完全管控自身设备外部攻击者就有可能悄然改变粒子的纠缠状态在不留任何痕迹的情况下干扰通信。这种干扰方式被称作量子干扰近年来针对该现象的相关研究热度持续攀升。对众多科学家而言量子干扰是极具研究价值的课题借助它人们能进一步深挖量子力学的本质以及因果关系的内在逻辑。学界也由此产生诸多疑问是否存在某种底层物理法则从根本上杜绝量子干扰现象如果没有相关法则约束这种效应又能否在现实世界中出现干扰魔术师形象解读量子干扰波兰克拉科夫雅盖隆大学理论物理学家米哈乌・埃克施泰因用一则趣味故事通俗解释了量子干扰原理。故事沿用量子力学领域经典的两位虚拟角色爱丽丝与鲍勃。“我们不妨设定场景爱丽丝和鲍勃遇到一位名叫吉姆的魔术师他号称手里有两个球一白一黑。”埃克施泰因说道。这两个球就代表一对处于纠缠态的粒子——处于纠缠的两个粒子物理状态会彼此关联若测得第一个粒子自旋向上另一个粒子的自旋必然向下反之亦然即便两个粒子相隔宇宙两端这一规律也不会改变。故事中的两个球同样遵循关联规则一个为白色另一个就必定是黑色。按照经典魔术桥段吉姆当着众人的面把两个球分别放入盒子、打乱顺序再将盒子交给爱丽丝和鲍勃。此刻没有人知道哪个盒子里装着白球哪个装着黑球。随后爱丽丝和鲍勃分别登上火箭以接近光速的速度朝相反方向飞去。一段时间后两人同时打开盒子。而在此期间魔术师吉姆暗中施展了手法改变了两颗球的状态。起初爱丽丝和鲍勃都没有察觉到异常两人事先都清楚自己拿到白球或黑球的概率各占五成打开盒子后看到的结果也符合这一预期单从个人视角完全看不出被动过手脚。但当二人重返地球碰面、比对结果时魔术的破绽便暴露了两人手中的球颜色完全一致。吉姆暗中改写了两颗球的纠缠关联——从原本“颜色相反”变成了“颜色完全相同”。以上便是量子干扰的核心逻辑现实中的相关原理会更为复杂。20世纪90年代中期雅各布・格伦豪斯、桑杜・波佩斯库与丹尼尔・罗赫利希展开研究一种理论在遵循爱因斯坦信息传递速度不可超越光速这一核心准则的前提下究竟能在多大程度上突破量子力学的现有规则。爱因斯坦在中期开展的思想实验证明一旦突破“信息传播速度无法超越光速”这一限制因果关系的基本逻辑就会崩塌。自此无信号传递原理便成为物理学家探索量子力学之外新理论时必须遵守的基本前提。法国国家信息与自动化研究所的米尔亚姆・魏伦曼表示“在研究量子基础理论时我们始终将无信号传递原理奉为重要准则。”三位学者将量子干扰设想为一种“超纠缠”形态它可以作用于纠缠粒子。正如人们能用测量装置判定远处纠缠粒子的状态理论上也可以借助假想的干扰设备改变一对远距纠缠粒子之间的关联特性。部分物理学家提出只要这类干扰行为遵守几条核心规则就能在不破坏因果律的前提下暗中破坏量子纠缠。量子干扰这一概念过于新奇在提出之初物理学界一时难以研判其价值。因果关系重启探索之路二十年后相关研究迎来了新的发展契机。随着量子计算机从理论构想逐步落地为现实实验量子密码学也同步发展。21世纪第一个十年多个科研团队研发出设备无关型量子密钥分发技术这套量子加密方案的核心依托正是纠缠单配性原理。2016年拉马纳坦与帕韦乌・霍罗德基在研究这类加密协议时翻出了格伦豪斯等人早年发表的论文。拉马纳坦说“我们随即意识到所有设备无关型加密协议都建立在纠缠单配性之上而一旦出现上述量子干扰式关联这条基本性质就会彻底失效。”此后量子干扰迅速成为学界热议的焦点。不少研究者指出这一思想实验存在疑点虽然量子干扰无法实现超光速传递信息但它能改变远处量子粒子的状态这和当年令爱因斯坦倍感困惑的“鬼魅般的超距作用”如出一辙。不过也有学者认为量子干扰带来的认知困惑反而能够催生全新研究思路。罗杰・科尔贝克曾在2006年的博士论文中提出首批设备无关型加密协议如今任职于伦敦国王学院。他表示“我将量子干扰视作一种研究工具帮助我们厘清因果关系的准确定义。”目前科尔贝克正与格勒诺布尔-阿尔卑斯大学法国国家信息与自动化研究所的维・维拉斯尼合作梳理不同物理理论中因果关系的运行规律。在他们的研究中量子干扰是一类极具参考价值的极端案例二人致力于寻找类似无信号传递原理的底层法则以此解释量子干扰究竟违背了哪些物理规则。2025年12月拉马纳坦、霍罗德基团队联合埃克施泰因、托马什・米勒以及帕韦乌・霍罗德基的父亲里沙德发布了一篇预印本论文回应了上述研究以及魏伦曼近期发表的成果。如今各方研究人员展开学术交流力求厘清概念、消除认知分歧探寻各类物理理论背后的底层基本法则。埃克施泰因说道“这是我认为最有意思的问题量子干扰现象背后是否预示着全新的物理学规律物理世界中真的能够存在这类现象吗”本文转载自 雪兽软件更多精彩推荐请访问 雪兽软件官网