设备无关量子态认证的工作原理是通过验证量子信号的完整性，而无需信任所涉及硬件的内部工作原理或“黑箱”机制。这一过程依赖于观测到的测量统计数据，例如贝尔不等式违背，以确认量子态是否与其目标匹配，从而确保即使在组件未表征的情况下也能实现高安全性的量子密码学和可靠的数据传输。通过消除制备设备和测量设备之间共享随机性的要求，研究人员可以在复杂的网络中实现更高水平的“非置信”安全性。
构建全球量子互联网的竞赛已达到一个关键时刻，简单的二维量子比特（即二进制比特的量子对应物）已不再足以满足高速、高容量通信的需求。为了克服这些局限性，科学家们正转向高维量子态，这种状态每粒子可以携带显著更多的信息。然而，随着这些状态复杂性的增加，验证它们的难度也随之增加。传统的认证方法通常假设用于状态制备和测量的设备已经过完美校准或共享随机源，而这一假设在现实世界的去中心化网络中很少成立。
在一项由研究人员 Zhe Sun、Yong-Nan Sun 和 Franco Nori 发表的突破性研究中，建立了一个新的实验框架，旨在使用独立的量子设备来认证这些复杂状态。这项研究代表了一个重大的飞跃，因为它允许对量子系综进行“黑箱”认证，而无需硬件组件之间预先进行任何同步或共享随机性。这种方法论对于未来的量子互联网至关重要，因为由不同实体拥有的各个节点必须在不隐式信任彼此硬件的情况下实现安全通信。
“扭曲光”在量子技术中有哪些应用？
“扭曲光”或轨道角动量（OAM）能够实现高维量子态认证，从而在量子互联网中增加带宽和更高的数据容量。其主要应用包括提高量子密钥分发（QKD）的吞吐量，促进跨长距离的稳健量子纠缠分发，并为全球网络中安全的、设备无关的通信协议提供可扩展的架构。
轨道角动量（OAM）是指光的一种物理属性，其中光子的波前在传播时以螺旋状扭曲。与局限于二维的标准偏振不同，OAM 提供了一个理论上无限的希尔伯特空间，这意味着单个光子可以存在于高维状态中。通过“扭曲”光，研究人员可以将大量数据编码到不同的旋转维度中，有效地创建了 “qudits” 而非 “qubits”。这种维度特性是扩展未来光网络数据承载能力的关键。
研究团队利用单个光子的这些 OAM 状态，在制备-测量实验装置中测试了他们的认证协议。通过专注于高维轨道角动量，该团队证明了可以在不牺牲信号真实性验证能力的情况下扩展信息密度。这对于光子学尤为重要，因为基于 OAM 的系统可以集成到现有的光纤基础设施或自由空间卫星链路中，为量子密码学提供了一个通用的平台。
量子信号能在号大气湍流噪声中幸存吗？
当通过考虑环境干扰和串扰的稳健高维状态协议进行认证时，量子信号可以在大气湍流噪声中幸存。实验结果表明，即使在大气湍流的影响下，量子态认证仍然是可以实现的，确保了“扭曲光”信号在现实世界的自由空间条件下可以被验证并用于安全通信。
大气湍流长期以来一直是自由空间量子通信的克星，因为不断变化的空气密度和温度波动会扭曲“扭曲光”微妙的相位和强度轮廓。这些扭曲会导致串扰，即来自一个量子态的信息泄漏到另一个量子态中，从而可能破坏纠缠或编码的数据。为了让量子互联网在全球范围内运行，信号必须能够在露天环境中传输——无论是在建筑物之间还是从地面到卫星——且不丢失其量子特性。
在这次实验中，Zhe Sun 及其研究团队明确调查了湍流噪声对认证过程的影响。他们发现，虽然噪声确实带来了挑战，但高维认证协议仍然保持了韧性。研究人员测量了串扰矩阵并计算了高达十维状态的相似性参数，证明了尽管存在大气的混沌干扰，量子态的数学“指纹”仍然可以被提取和验证。这种稳健性是在不可预测的环境中部署量子态认证的重要要求。
实验突破：独立设备认证
独立设备认证是在状态制备设备和测量设备在没有任何共享随机性的情况下运行时实现的，从而确保了半设备无关的情景。在由 Franco Nori 及其同事领导的研究中，团队在六维量子态上实现了惊人的 99.0% 制备和测量保真度。这种精确水平表明，即使将设备视为“黑箱”，信号也几乎完美地代表了预期的量子信息。
- 高保真度： 团队记录了 6D 状态 99.0% 的保真度，这一指标标志着极低的错误率。
- 可扩展性： 实验研究扩展到了十维，并测量了串扰矩阵以确保数据完整性。
- 无共享随机性： 该协议假设制备和测量硬件是独立的，这对于防止量子密码学中的侧信道攻击至关重要。
- 系综认证： 该研究提供了一种认证整个状态系综而非仅仅单个粒子的方法，提高了验证过程的效率。
这种“半设备无关”的方法弥补了全设备无关（DI）协议与设备相关协议之间的差距。全设备无关协议在长距离实施上难度极大，而设备相关协议则需要对硬件的完全信任。通过允许独立设备，研究人员为制造商生产可由终端用户验证的量子硬件提供了一条途径，无论制造商自身的安全标准或内部配置如何。
对未来量子互联网的影响
扩展量子互联网不仅需要更快的传输速度，还需要一个能够处理高维数据的基础信任与验证层。能够以 99% 的保真度认证 OAM 状态，确保了当我们向量子 10D、20D 甚至更高维系统迈进时，数据的安全性依然完好无损。这对安全金融交易、政府通信以及量子随机数生成具有深远影响，在这些领域，量子态的纯度是随机性的最终保证。
像 Franco Nori（量子信息科学领域的领军人物）与参与实验的团队之间的协作，凸显了将这些理论变为现实所需的跨学科努力。随着这些认证协议变得更加完善，它们很可能会被集成到量子网络技术的标准化“堆栈”中。成功应对大气湍流噪声也表明，我们比以往任何时候都更接近建立一个能够服务于整个地球的卫星量子互联网，从而绕过光缆的物理限制。
展望未来，该研究的下一阶段可能会集中在将维度增加到十维以上，并在更远的距离上测试认证协议。通过完善串扰矩阵并改进相似性参数，科学家们旨在为任何高维量子态创建一个“即插即用”的认证系统。这将确保全球通信的未来不仅更快、更强大，而且从根本上比经典技术所能实现的任何方式都更安全。
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