量子世界 有位年輕的“徐霞客”

　　徐飛虎，生於1986年3月，現於美國麻省理工學院從事博士後研究，將於下月加入中國科學技術大學潘建偉研究團隊。（受訪者供圖）

　　“達人之所未達，探人之所未知”。明代旅行家徐霞客在探險中形成的信念，徐飛虎身上也有。從理論物理到實驗物理，再到應用實踐，徐飛虎的科研足跡遍佈量子世界的多個領域，“開創性”成為他自始至終的追尋。

　　認識徐飛虎前，先認識一下愛麗絲（Alice）和鮑勃（Bob）。當然不是《夢遊仙境》裡的愛麗絲，也不是獲得諾貝爾文學獎的音樂人鮑勃·迪倫。在量子通訊系統中，傳送資訊的一方是Alice，接收方是Bob。

　　諜戰電影再現：Alice和Bob是戰友，他們有同一套密碼本，外人看到的一張公開告示，他倆卻能解讀出“內情”。關鍵來了——在量子世界，Alice發給Bob的金鑰一旦被“竊聽”，就會被察覺。“金鑰”即密碼本，理論上是絕對安全的，因為量子訊號無法被偷取或替換。

　　理論上絕對安全的量子密碼系統，在裝置不完美的現實中有可能被攻破。麻省理工學院博士後研究員徐飛虎解釋：“量子態可能沒有被準確製備，儀器精度的限制可能無法準確測量量子態。”

　　徐飛虎在實驗上首次實現對量子密碼系統完整的攻擊，他的論文引用者這樣評價他的工作，論文自2010年發表至今已被引用超過200次。不止如此，在手握“駭客之矛”的同時，徐飛虎又參與發明了防守之盾——“測量裝置無關量子密碼（MDI-QKD）”，以己之盾攻己之矛，第一個找到了抵禦量子駭客攻擊唯一可行的解決之道。

　　近日，第9屆全球華人物理學大會在北京召開，這些他在攻讀博士期間完成的研究，為他贏得了由全球華人物理和天文學會頒發的傑出論文獎。

　　扮演“駭客”

　　2010年，楓葉之國，美麗的多倫多大學。

　　在《哈利·波特》系列電影的古堡裡、在整體玻璃幕牆的現代建築中，一個來自中國的年輕人總是若有所思。如果用讀心術掃描他的大腦，會看到一個量子密碼系統的複雜構圖，逐個器件在他腦中拆分，他的心思跟著量子軌跡而動。

　　“漏洞會出現在哪呢？”他冥思苦想要攻破的是一臺來自瑞士ID Quantique公司的商用量子密碼系統。“知己知彼”的兵法之道，適用於有“兵賊”角色的任何領域。徐飛虎自然採納了駭客的思維方式：拆分複雜的系統，摸清器件的“脾氣”，瞭解器件的原理，進而攻其軟肋——哪個器件會引入安全性的問題。

　　這個過程非常艱苦，花費了近一年的時間。

　　在量子世界，人類無法親眼見證物質運動和相互作用的過程，與普通學科不同，量子物理的研究過程一般採用“理論假設——實驗驗證——尋找理論與實驗的差距”的研究模式。

　　“我的博士導師在理論上證明量子密碼的安全性。我在實際中去發現器件究竟是不是按照理論設想工作的，如果不是，定位偏差，進而利用這個偏差模仿駭客進行攻擊，即量子駭客攻擊。”

　　隨著偏差的發現，他們開始認識到一些器件與預想不同。徐飛虎說：“量子密碼系統中單光子探測器漏洞最多也最大，它結構複雜，是材料、光學、電學等學科整合的裝置，每一步都會引入偏差，積累下來會引入很多安全漏洞。”

　　也就是說，由於Bob端單光子探測器裝置的“不完美”，理論上絕對安全的量子密碼系統在實際中可能“漏洞百出”。

　　推倒重來

　　“量子密碼系統容易從Bob端攻破，該怎麼解決呢？量子密碼創始人、我博士論文的評審Charles Bennett當時也在自己的blog（部落格）指出這個問題。”徐飛虎回憶，當時擺在他面前有兩個選擇。

　　選擇一，發現一個漏洞彌補一個。“就像給Windows打補丁，不定時安裝新檔案包。”徐飛虎說：“儘管當時歐洲、美國等都有小組在研究

　　打補丁，但我們認為並不可靠，如果用量子系統傳送絕密情報，不能有一點漏洞。”

　　“修修補補行不通，要從更深一層的‘協議架構’上創新。”徐飛虎說，他們選擇二，創造一個“密如鐵桶”的量子資訊傳遞路徑。“既然駭客攻擊單光子探測器，那就找方法取代它。”

　　2012年，團隊構建了一條嶄新的資訊傳輸、解碼“聯絡線”：將易受攻擊的單光子探測器從Bob處移走，放在公共位置。

　　“‘金鑰’不再從Alice直接傳遞給Bob，而是雙方共同傳遞金鑰給公共Server，雙方隨機提取一部分金鑰，相互驗證。如果沒發現誤碼，說明沒有‘間諜’竊聽，那麼剩下的部分就是安全的，可以用來加密和解密資訊。如果誤碼很大，就說明被竊聽，換個渠道重新產生‘金鑰’。”

　　“在新的架構中，接收方的測量裝置完全被解脫出來，不會對密碼系統的安全性產生影響。這就是測量裝置無關（Measurement-Device-Independent）量子密碼系統的誕生。”徐飛虎說。

　　直擊“落地”

　　2014年12月，徐飛虎來到麻省理工學院（MIT）繼續博士後研究。“我想做些不一樣的，”徐飛虎說，“量子技術是否有其他領域的應用呢？”

　　緊貼應用，挑戰全新領域，徐飛虎選擇量子成像作為研究切入點。與義大利米蘭理工大學和波士頓大學研究組合作，徐飛虎讓光子相機的原型機真正實用起來。在徐飛虎提供的研究圖片中可以看到，不用演算法做軟體支撐的單光子相機拍攝的影象模糊成一片氤氳，匹配全新的影象處理演算法的單光子相機可以呈現出清楚的影象。

　　博士期間對單光子探測器的破解，讓徐飛虎對光子成像的原理駕輕就熟，“將量子探測理論與傳統影象處理的演算法結合，可以非常有效地完成單光子成像。”

　　“平均一個畫素只需探測一個光子，”徐飛虎說，“傳統相機每個畫素大概需要1000個光子才能拍出清晰影象，而我們實現了超低光強成像。正如《自然—光子學》報道我們的工作‘Imaging：one photon per pixel’。”

　　今年9月，徐飛虎將加入中國科學技術大學潘建偉院士研究團隊，生物成像、機載成像、視線外成像，他寫下的研究計劃直擊量子技術的“落地”。

　　“中國在量子通訊領域已經做到領先於世界，”徐飛虎說，“但單光子成像在國內研究並不多，國際上也只有3個組在做，我回來將主攻這個方向，我很榮幸能加入潘老師領導的這支世界頂尖的量子團隊。”

　　記者手記

　　我讀不懂他，直到現在。

　　幾十年前，如果有人說只要0和1就能組成一個萬物互聯的世界，也會被讀不懂。彼時是電子世界，如今是量子世界，總有人能洞察先機，拉著整個人類走進“新世界”，徐飛虎就是這群人裡的一個——近十年的科研履歷，卻完成了很多人窮其一生無法企及的高度，他的每項研究成果都足夠別人耗費一生。

　　當他借用別人的手機如約打來電話、和我一個字一個字地核對稿件時，我才有一點點明白他能有非凡建樹的原因。其他的，一個平凡的小記，如何能讀懂“達人之所未達，探人之所未知”的靈魂？