量子世界 有位年轻的“徐霞客”

　　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，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？