量子網路捍衛隱私-科學人雜誌
科研專輯

量子網路捍衛隱私

2009/11/01 羅伊德(Seth Lloyd) 
有些極奇異的物理定律, 或許能讓我們搜尋、瀏覽網頁時,不再留下任何記錄。
重點提要
■目前上網搜尋就算匿名,還是會暴露出使用者的個人資訊。
■正在研發中的量子版網際網路裡,搜尋引擎會將查詢與結果一併回傳給使用者,並且保證資料未被儲存或複製。
■要實現量子搜尋,搜尋引擎資料庫必須使用一種新的記憶體儲存技術,已經有實驗室展示出其雛型。

近年來要保住隱私可不容易,尤其是在網路上,每次用Google找資料,你的喜好就會被留傳後世──至少會留傳給廣告主。


網路搜尋公司說,他們會將個人資訊加密,並且以號碼而非名字識別使用者以達到匿名效果,藉此保護客戶隱私。問題是,匿名並不一定能保護隱私,美國線上(AOL)第4417749號使用者就是血淋淋的教訓。2006年美國線上決定公開一份清單,列出2000萬筆網頁搜尋記錄,包括這位用戶和另外65萬7000名使用者。記者分析搜尋內容,就追查出這是住在美國喬治亞州里爾本的一位62歲寡婦阿諾德(Thelma Arnold)。幸好她的身分和私人興趣曝光沒帶給她太大的困擾,但有多少人敢這麼說?


不過,物理定律或許能拯救我們。已經有銀行等機構透過特別的「量子頻道」進行通訊,這種加密傳輸法幾乎不可能破解。也就是說,在你做線上搜尋時,能保護查詢內容不被攔截竊聽的技術已經存在。而且,未來還有一種新的「量子版」網路,能讓你在送出查詢及接收結果的過程中,保證沒有人(連Google也不會)知道你問了什麼問題。更重要的是,這種確保查詢隱私的技術,也能保證整個線上活動過程中,你的隱私都不會被侵犯。


當然,搜尋引擎是靠儲存與分析使用者資料來決定要刊登什麼廣告的,這是他們回收成本、賺取利潤的方式。一旦他們決定保持用戶資料的隱私,就得為搜尋引擎想一套新的商業模式。或許可讓使用者決定是要付費搜尋,還是提供自己的搜尋資料來換取免費搜尋。


絕對保密的魔法

2004年春天,我在美國加州蒙特雷參加研討會時,出席了一場億萬富翁的宴會,感覺就像跑錯地方似的。據我看來,我的角色相當於從蛋糕裡跳出來的驚喜人,負責娛樂那些對量子科技有興趣的貴賓們。在場那些世人公認的億萬富翁裡,包括了Google創辦人布林和佩奇。令我驚訝的是,布林和佩奇對量子資訊所知甚多。我們天馬行空地提出一些量子物理如何改變人與網路互動的猜想之後,我自告奮勇說會和同事著手研究「量子網路搜尋」──不管那究竟是什麼。


量子物理能夠實現絕對隱私的能力,是基於一項簡單的事實:量子世界裡的系統(包括從基本粒子到分子等任何東西)能以多重狀態存在。在任一時間點,一個原子可以出現在多個位置,光子的偏振方向可以既垂直又水平,電子的磁矩可以向上又向下,諸如此類。因此,古典(相對於量子而言)資料位元記錄的值只能是0或1,量子位元卻能同時記錄0與1。還有,當一個量子位元同時承載0和1兩個值時,你就無法正確複製那個量子位元,任何複製的動作都會改變該位元的狀態。這個規則稱為「不可複製定理」,對量子位元組成的字串(可用來代表字或句子)也同樣適用。也就是說,竊聽量子頻道(通常是一條載有多重偏振狀態光子的光纖)時,勢必無法在不擾亂頻道的情況下「聽」到通訊內容,所以一定會被發現。


多虧了不可複製定理,已經有數種不同的量子加密技術可用來交換資料並保持完整的隱私。然而,這類技術都預設允許收件人讀取你傳送過去的資料,也就是說,只把傳給Google的查詢內容加密,並無法保住隱私。不過,2008年我和義大利比薩高級師範學校的喬凡尼堤、巴維亞大學的麥孔內發現,不可複製定理也能做到私密查詢。在我們設計的協定中,使用者必須傳送一個「量子提問」給搜尋引擎,它是一串量子位元,同時包含一個真問題及一個假問題(假問題是什麼都沒關係,也可以用電腦隨機產生)。


搜尋引擎會在資料庫中找出這兩個問題的結果,然後把問題與結果包裝成新的量子封包回傳。如果搜尋引擎私自把問題複製下來,你的電腦會偵測到原始問題的量子態被擾亂了,於是你就會發現隱私被侵犯。此外,搜尋引擎提供結果時並不須實際偵測(更別說複製)問題編碼成的位元字串,也就是說,不必知道問題是什麼。


雖然以今日的電腦、資料庫和網路硬體,還無法完成這種魔法,但我們發現在技術上並非無法實現。量子私密查詢的第一項要求,就是最基本的量子網路。以專用線路交換量子資訊的技術已經存在,運用在安全通訊上,然而功能完整的量子網路不能只是兩點間的一條線,而必須是一張網絡,網絡裡的節點能轉送資料封包,允許使用者傳送資料給其他任何使用者或網路伺服器。但是轉送資料而不暫存(如此才不會因不可複製定理而擾亂資料)可不是簡單的工作,要用到目前尚處於實驗階段的深奧技術:量子路由器。這種網路的雛形可能在5~10年內就會出現。 私密網路搜尋的第二項要求是,使用者和資料伺服器都要用最基本的量子電腦,也就是能儲存與處理量子位元的電腦。不幸的是,量子位元是出了名的善變,不到一秒鐘,多重量子態就會自動消失。例如實驗階段的量子電腦,是將離子一個個懸在真空中,以其磁性狀態代表量子位元,目前只能一次儲存八個位元。功能完整的量子電腦至少得用到上百甚至上千個量子位元,就算是實驗室展示品,可能都還要好幾十年後才會出現。幸好就量子私密搜尋而言,只要大約30個量子位元就夠了;如果編碼恰當,一筆30位元的查詢就能從含有10億筆資料的資料庫裡檢索出一個結果。這樣的30位元「量子微處理器」可能也會在5~10年內出現。


【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2009年第93期11月號】


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