徐飛虎，生于1986年3月，現于美國麻省理工學院從事博士后研究，2017年5月入選“青年千人計劃”，將于下月加入中國科學技術大學潘建偉研究團隊。

“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布量子世界的多個領域，“開創(chuàng)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《夢游仙境》里的愛麗絲，也不是獲得諾貝爾文學獎的音樂人鮑勃·迪倫。在量子通信系統(tǒng)中，發(fā)送信息的一方是Alice，接收方是Bob。

諜戰(zhàn)電影再現：Alice和Bob是戰(zhàn)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(fā)給Bob的密鑰一旦被“竊聽”，就會被察覺。“密鑰”即密碼本，理論上是絕對安全的，因為量子信號無法被偷取或替換。

理論上絕對安全的量子密碼系統(tǒng)，在設備不完美的現實中有可能被攻破。麻省理工學院博士后研究員徐飛虎解釋：“量子態(tài)可能沒有被準確制備，儀器精度的限制可能無法準確測量量子態(tài)。”

徐飛虎在實驗上首次實現對量子密碼系統(tǒng)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(fā)表至今已被引用超過200次。不止如此，在手握“黑客之矛”的同時，徐飛虎又參與發(fā)明了防守之盾——“測量設備無關量子密碼（MDI-QKD）”，以己之盾攻己之矛，第一個找到了抵御量子黑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(fā)的杰出論文獎。

扮演“黑客”

2010年，楓葉之國，美麗的多倫多大學。

在《哈利·波特》系列電影的古堡里、在整體玻璃幕墻的現代建筑中，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(tǒng)的復雜構圖，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(tǒng)。“知己知彼”的兵法之道，適用于有“兵賊”角色的任何領域。徐飛虎自然采納了黑客的思維方式：拆分復雜的系統(tǒng)，摸清器件的“脾氣”，了解器件的原理，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采用“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(fā)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黑客進行攻擊，即量子黑客攻擊。”

隨著偏差的發(fā)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(tǒng)中單光子探測器漏洞最多也最大，它結構復雜，是材料、光學、電學等學科集成的設備，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，由于Bob端單光子探測器設備的“不完美”，理論上絕對安全的量子密碼系統(tǒng)在實際中可能“漏洞百出”。

推倒重來

“量子密碼系統(tǒng)容易從Bob端攻破，該怎么解決呢？量子密碼創(chuàng)始人、我博士論文的評審Charles Bennett當時也在自己的blog（博客）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(fā)現一個漏洞彌補一個。“就像給Windows打補丁，不定時安裝新文件包。”徐飛虎說：“盡管當時歐洲、美國等都有小組在研究

打補丁，但我們認為并不可靠，如果用量子系統(tǒng)發(fā)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(xié)議架構’上創(chuàng)新。”徐飛虎說，他們選擇二，創(chuàng)造一個“密如鐵桶”的量子信息傳遞路徑。“既然黑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信息傳輸、解碼“聯(lián)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。

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

“在新的架構中，接收方的測量設備完全被解脫出來，不會對密碼系統(tǒng)的安全性產生影響。這就是測量設備無關（Measurement-Device-Independent）量子密碼系統(tǒng)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(xù)博士后研究。“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(zhàn)全新領域，徐飛虎選擇量子成像作為研究切入點。與意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，不用算法做軟件支撐的單光子相機拍攝的圖像模糊成一片氤氳，匹配全新的圖像處理算法的單光子相機可以呈現出清楚的圖像。

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(tǒng)圖像處理的算法結合，可以非常有效地完成單光子成像。”

“平均一個像素只需探測一個光子，”徐飛虎說，“傳統(tǒng)相機每個像素大概需要1000個光子才能拍出清晰圖像，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”。

“中國在量子通信領域已經做到領先于世界，”徐飛虎說，“但單光子成像在國內研究并不多，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 張佳星）

量子世界里“達人之所未達，探人之所未知”的“徐霞客”

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