互动科普

隐私保护往往非常艰难，尤其是互联网上的隐私保护。比如，当你使用谷歌进行搜索时，你的请求就会被记录下来，并被保存很长时间，这些信息会被用于广告等各种用途。

网络搜索引擎公司声称，他们已采取了多种手段实现用户匿名搜索：一是对个人信息进行加密，二是使用数字编号替代姓名。然而，这种匿名方式并不总是有效。2006年，美国在线（AOL）决定发布2,000万条网页搜索记录时，编号为4417749的AOL用户对此就有非常深刻的体验，因为这里面包含了她及其他657,000个用户的搜索请求。只要你有心，仔细分析她的搜索内容，就可以了解这位住在美国佐治亚州利尔伯恩市、名为西尔玛·阿诺德（Thelma Arnold）的62岁遗孀的个人隐私。幸运的是，她并没有因为身份和个人爱好被泄露而过于尴尬，但其他人都能像她那样坦然吗？

好在，一些物理定律能够扭转这一局面。通过特殊“量子通道”进行通信，银行和其他机构已经能够保证传递的加密数据不可破解。因此，隐藏搜索请求以防止偷听者窃取的技术已经存在。然而，在未来，新的量子互联网将确保你发送的搜索请求和接收的搜索答复不会被任何人知道，连谷歌都不知道你搜索了什么。而且，保护搜索隐私的技术还能保护用户整个上网过程中的隐私。

目前，搜索引擎通过保存和分析用户数据来向用户展示特定广告，以此保障收入并谋得利润。如果搜索引擎决定采用新技术彻底实现用户隐私保护，它们就需要一种新的商业模式。到那时，用户将不得不作出选择：要么向搜索引擎付费，要么坚持免费而不顾自己的隐私是否被泄露。

量子加密

2004年春天，在美国加里福尼亚州蒙特里的一次会议中，我意外参加了一场亿万富翁的宴会，而我的角色，如果非要说出来的话，就是款待那些对量子技术感兴趣的客人。那天晚上参加的知名亿万富翁中就包括谷歌创始人谢尔盖·布林 （Sergey Brin） 和拉里·佩奇（Larry Page）。令我惊讶的是，布林和佩奇对量子信息居然认识颇深。在宴会上，大家漫无边际地谈论量子物理将如何改变人们在互联网上的交互方式。最后，我向大家宣布，不管最终结果将会如何，我都将与同事们一起研究“量子互联网搜索”。

量子物理之所以能彻底保护隐私，原因在于，从基本粒子到分子的任何量子系统都可以同时存在于多种状态。在任何特定时刻，一个原子可能存在于几个不同的地方，很少量的光或者光子可以同时被水平极化和垂直极化，电子的磁矩可以同时指上和指下。因此，经典（与量子相对）的数据位要么表示0，要么表示1，而量子位可以同时表示0和1。而且，当量子位同时具有0和1值时，任何手段都无法将该量子位复制出来，因为任何复制行为都将导致该量子位发生变化。这就是著名的不可克隆定理 （no-cloning theorem），它同样适用于由量子位组成的字符串，这些字符串可以代表单词或者句子。因此，在量子通道（通常是传输多偏振态光子的光纤）上进行窃听的人无法在不干扰通信的情况下实施监听，这样窃听行为就能被很准确地发现。

目前，科学家已经开发出数种基于不可克隆定理的量子加密技术，用于完全保密的数据交换。然而，这些技术都假定允许信息接收者阅读你发给他们的数据。所以，仅仅向谷歌发送经过加密的搜索请求是没有用的。2008年，我和意大利比萨高级师范学校的维托里奥·焦万内蒂（Vittorio Giovannetti）及意大利帕维亚大学的洛伦佐·马科内（Lorenzo Maccone）共同发现，不可克隆定理同样可以用于实现保密请求。在我们设计的协议中，用户必须向搜索引擎发送“量子请求”，即由量子位组成的、同时包含真实问题和另一个其他问题的字符串。（第二个问题到底是什么并没有关系，甚至可以让你的计算机自动随机生成一个。）

搜索引擎针对你提交的多个问题，在自己的数据库中搜索答案，并将这些问题和答案组合成新的量子包，然后发回给你。如果搜索引擎复制了所提交的问题，你的计算机就可以检测到原始问题的量子态被改变，从而发现你的隐私被侵犯。这其中的关键是，要保证搜索引擎能在不对包含问题的量子位串进行物理接触（更别说克隆）的情况下提供答案，从而确保搜索引擎不知道搜索的主题到底是什么。

目前的计算机、数据库和网络硬件都无法实现这种梦幻般的技术。但我们意识到，从技术上讲，这并非无法实现。量子秘密搜索的首要需求是一个基本的量子互联网。在特定线路上交换量子信息的技术早已存在，已经用于安全通信。然而，成熟的量子互联网不仅仅是两个节点之间的连接，而应该是一个网络，网络的节点应该能够实现数据包路由，从而保证每个用户都可以到达其他任何用户或任何Web服务器。由于不可克隆定理的存在，数据一旦被临时复制就会发生变化，所以要实现数据路由非常困难，需要采用一种目前仍处于实验阶段的复杂技术——量子路由器（quantum router）。量子互联网的原型有望在未来5~10年内实现。

量子秘密搜索还需要用户和数据服务器都具有基本的量子计算机功能，也就是能存储和处理量子位。糟糕的是，量子位非常脆弱，很容易在瞬间同时丢失多个量子态。例如，实验室里采用真空单离子的磁状态来存储量子位的量子计算机，目前只能同时存储大概8个量子位。而成熟的量子计算机需要存储的量子位，即使没有上千个，至少也有数百个。就目前情况来看，即便是实验室的演示系统，量子计算机可能也需要几十年才能实现。幸运的是，使用量子秘密搜索的话，大约30个量子位就足够了。如果编码方式合理，30个量子位就可以从超过10亿个对象的数据库中提取答案。这种30位“量子微处理器”（quantum microprocessor）有可能在未来5~10年内实现。

不是那么随机

此前的发展都还很顺利，量子秘密搜索看起来只需要非常简单的量子计算机和量子通信系统就可以了。但困难出现了：为了回答用户多方面的量子问题，搜索引擎的数据库必须能同时给多个问题提供答案。这就需要一种新型数据存储方式，称为量子随机存取存储器，或者叫量子RAM。

RAM是存储设备，通常按树状结构组织数据。每段数据都是8位或者一个字节组成的序列，具有一个本身也是位序列的地址。这些字节就像树上的叶子；地址则指明了从树干到特定叶子的路径。地址的第一位表示在树的最低层次走两个分支中哪一个，第二位控制第二层分支，依此类推。往上经过每一层，分支数就翻番，对于传统的30位地址的RAM而言，获取数据就需要进行230（超过10亿）次开关计算。

依照传统RAM方式实现量子RAM当然也是可以的。唯一区别在于，指引信息通过二杈树的开关现在必须能够让信息同时通过两条不同的分支，因为量子问题的每个位都可以指定两个不同的路由。这样的量子开关可以沿用已有的技术构造，比如半透明反射镜，它能分裂光子，让它们立即沿着两个不同路径传输。问题在于，量子电路非常容易受到噪音和错误的干扰，其中一个开关出错，相应量子位的数据就会失去保护。由于一个传统地址位控制了大量开关，丧失隐私保护的几率就非常高。

我和焦万内蒂及马科内想出了另外一种RAM编址方法（同时适用于传统RAM和量子RAM），采用这种方法，在每次内存调用时都将显著减少开关调用次数。此中的奥秘在于，沿着与数据传递路径相同的树分支进行地址位路由，而不是沿着独立的地址线。这种方法中地址位是顺序通过矩阵的，因此，我们称之为“组桶式”RAM （参见第38页图）。

在矩阵的每一层，组桶式体系架构只须执行一次开关，而传统RAM必须执行所有开关。这凸显出新方法的巨大优势：对于10亿个内存单元的基于组桶式RAM，在每次内存调用时只须进行30次开关，而传统方法却需要10亿次。并且，组桶式体系架构在出错率和节省能量方面的优势，将会随着量子位的增长呈指数增长。

量子的恩赐

开始，我们以为基于组桶式的思想极有可能对传统RAM产业发动一场革命，并对前景充满幻想。但很快我们发现，以前就有人想出过类似设计，但这种设计相对于传统RAM而言太慢了（不过对数码相机等设备使用的非易失性内存而言，这是一种很好的节能解决方案）。

但是基于组桶式的设计对于量子搜索而言的确至关重要，因为这种设计可以承受的出错率高达1/30，而传统设计只能承受十亿分之一的出错率。量子RAM可以采用普通物理介质，例如，数据可以存储在数十亿个普通CD表面一般的小镜面里面。量子RAM真正的量子部分是开关矩阵，它由那些能同时沿着两个分支传递量子位的开关组成。这种量子开关已经存在并且具有足够低的出错率，完全可以用于构建具有10亿个甚至更多单元的量子RAM。

当然，把这些量子开关组装成大型的量子RAM非常困难，把这些量子RAM连接成量子通信通道来实现量子秘密搜索的难度就更别提了。不过这些困难都并非无法克服。最近我们不经意地意识到，量子RAM的数据路由技巧可以应用于整个量子互联网。人们可以完全匿名地畅游网络，无论是他们查询的内容还是访问的所有站点，都不会被泄露。

在我和同事明确了如何构建量子RAM和执行量子秘密请求的细节后大概几个月，我在加利福尼亚州纳帕的一次会议上偶遇布林和佩奇，并向他们描述了量子秘密搜索的工作机制和潜在好处。他们的第一反应是，谷歌的商业模式是保存所有查询信息，并将它们用于定向广告以及将来的搜索，他们从来都没有考虑过不保存搜索信息的情况。当我向他们描述这种新的量子商业模型（对进行搜索的用户收费）的明显优势时，他们考虑了更多东西。最后他们说：“好吧，让我们看看你们是否能真正实现它。”

最近弗朗西斯科·德马蒂尼（Francesco De Martini）和他在罗马第一大学的研究小组已经完成了这项工作。他们使用激光器、偏光器（polarizer）和光子探测器（photon detector），构建了一个简单的量子RAM，并在一个小型数据库上演示了我们的搜索协议。量子秘密搜索就这样成为了一个真实存在的东西。如果某天拥有更大容量的量子RAM或者成熟的量子互联网，我们每个人都无法猜测那时会发生什么。