量子衛(wèi)星上天了

楊陽

中國科學(xué)院量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星2016年7月發(fā)射，并連接地面光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)。這是世界首個(gè)量子衛(wèi)星，中國也成為國際上率先實(shí)現(xiàn)高速星地量子通信的國家。衛(wèi)星成功運(yùn)行后，中國不僅在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，結(jié)合地面已有的光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，中國將初步構(gòu)建一個(gè)廣域量子通信體系，其中包括全長2000千米的廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)“京滬干線”。這意味著一個(gè)“天地一體化”的量子通信網(wǎng)絡(luò)將初步形成，也意味著我國自20世紀(jì)80年代起，歷經(jīng)30多年的量子信息研究終于走向?qū)嵱谩?/p>

傳統(tǒng)加密的不可靠性

電子通信時(shí)代，信息安全脆弱得像一層窗戶紙，基于計(jì)算復(fù)雜度的經(jīng)典加密體系一次次被破解，絞盡腦汁的信息加密最終可能淪為形同虛設(shè)。唯一的解決之道，就是求助于保障信息安全的“終極武器”——量子通信。 說白了，就是用量子密鑰替代目前的公鑰加密技術(shù)。公鑰加密技術(shù)，簡單的說，就是拿兩個(gè)很大的質(zhì)數(shù)A和B進(jìn)行乘積，然后把這個(gè)乘積作為公鑰進(jìn)行加密，然后用質(zhì)數(shù)A或B進(jìn)行解密。雖然得到A和B的乘積很容易，但是要直接從這個(gè)乘積分解成兩個(gè)質(zhì)數(shù)，就非常非常難。但是隨著計(jì)算能力的不斷提高，尤其是基于量子計(jì)算機(jī)的shor算法的出現(xiàn)，讓基于大數(shù)因子分解的公鑰加密技術(shù)變得越來越脆弱。

這就是為什么在通信技術(shù)如此發(fā)達(dá)的今天，各國間涉及政治外交、軍事安全的大部分機(jī)密信件和物品，仍然通過最傳統(tǒng)的方式——外交信使來傳遞。即便是再高級的保密通信，只要是通過當(dāng)前的電話線、無線電、光纖等手段，都會面臨被破譯和竊聽的可能。

量子通信是最安全的通信方式

理論上，量子密鑰分發(fā)克服了經(jīng)典加密技術(shù)內(nèi)在的安全隱患，是迄今為止唯一被嚴(yán)格證明是無條件安全的通信方式。量子通信是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型通信方式。量子通信是理論上完全安全的通信方式。由于作為信息載體的單光子不可分割、量子狀態(tài)不可克隆，可以實(shí)現(xiàn)抵御任何竊聽的密鑰分發(fā)，進(jìn)而能保證用其加密的內(nèi)容不可破譯。量子通信是經(jīng)典信息論和量子力學(xué)相結(jié)合的一門新興交叉學(xué)科，與成熟的通信技術(shù)相比，量子通信具有巨大的優(yōu)越性，具有保密性強(qiáng)、大容量、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。量子通信不僅在軍事、國防等領(lǐng)域具有重要的作用，而且會極大地促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

量子通信的科學(xué)原理

一個(gè)物理量如果不能連續(xù)變化，只能取一些分立的值，這個(gè)量就是量子化的。好比上臺階，只能上一級臺階，而不能上半級。宏觀世界里的物理量似乎都能連續(xù)變化，但在微觀世界，許多物理量是量子化的，即存在一個(gè)最小的單位，不能再往下細(xì)分。量子力學(xué)描述世界的語言與經(jīng)典力學(xué)有根本區(qū)別。經(jīng)典力學(xué)描述一個(gè)物體的狀態(tài)，會給出它的明確位置；量子力學(xué)描述一個(gè)微觀粒子的狀態(tài)，給出的則是疊加態(tài)——這個(gè)粒子在某些情況下既可能在這里，也可能在那里，沒有確定位置。好比孫悟空的分身術(shù)，一個(gè)孫悟空同時(shí)出現(xiàn)在多個(gè)地方，孫悟空的各個(gè)分身就像是他的疊加態(tài)。在通信領(lǐng)域，經(jīng)典通信的信號只有0和1，量子通信不但有信號0和1，還有0+1、0-1等量子疊加態(tài)。量子疊加原理導(dǎo)致了量子不可克隆原理：在量子力學(xué)中，不可能實(shí)現(xiàn)對一個(gè)未知量子態(tài)的精確復(fù)制，這是量子通信達(dá)到“無條件安全”的基本科學(xué)原理之一。量子通信是利用了光子等粒子的量子糾纏原理。量子信息學(xué)告訴人們，在微觀世界里，不論兩個(gè)粒子間距離多遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的變化都會影響另一個(gè)粒子的現(xiàn)象叫量子糾纏，這一現(xiàn)象被愛因斯坦稱為“詭異的互動性”?？茖W(xué)家認(rèn)為，這是一種“神奇的力量”，可成為具有超級計(jì)算能力的量子計(jì)算機(jī)和量子保密系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

任何竊聽都會擾動量子態(tài)

任何經(jīng)典通信都存在被竊聽的可能性。如打電話時(shí)，他人可通過竊聽器，從通信線路中的信號中分出一些，使其進(jìn)入另一根線路。竊聽時(shí)，0和1這兩種信號不會被擾動，所以通話者無法察覺?！都~約時(shí)報(bào)》2015年報(bào)道，美國國家安全局被曝監(jiān)聽谷歌、雅虎用戶的通信，不需要侵入兩家公司的數(shù)據(jù)中心，只需截取光纜、電纜中傳輸?shù)男畔⒓纯?。這些跨國企業(yè)的數(shù)據(jù)中心分布在世界各地，用光纜和電纜相互連接，很多情況下傳輸信息并不加密，埋下了竊聽隱患。即便采用經(jīng)典加密手段，也不能確保信息安全。

與經(jīng)典通信不同，量子通信可以將信息編碼加載到單個(gè)光子的量子疊加態(tài)的偏振方向上。單光子是光能量的最小組成單元，不能再被分割，量子狀態(tài)無法被精確復(fù)制，任何竊聽行為都會對其造成擾動，從而被通信雙方察覺并規(guī)避。通過量子態(tài)傳輸，通信雙方協(xié)商生成量子密鑰，再加上對信息進(jìn)行“一次一密”的加密保護(hù)，真正實(shí)現(xiàn)信息在傳輸中的完全隨機(jī)、不可破譯，從根本上解決通信安全問題。

未來數(shù)年內(nèi)量子通信將大規(guī)模應(yīng)用

未來數(shù)年內(nèi)，量子通信將實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。經(jīng)典通信的硬件設(shè)施不會被取代，只需在原有設(shè)施上“錦上添花”——在通信發(fā)送端和接收端安裝單光子探測器、量子網(wǎng)關(guān)等量子加密設(shè)備，即可在電話、傳真、光纖網(wǎng)絡(luò)等原有通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)量子通信，安全性大幅提升。

由于量子密碼通信的特殊性，決定了它應(yīng)該首先被應(yīng)用到保密等級比較高的軍事、政治、金融等重點(diǎn)領(lǐng)域。

科學(xué)家預(yù)測，在不久的將來，量子通信就能進(jìn)入千家萬戶。希望通過十年左右的努力，將來每個(gè)人在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行的轉(zhuǎn)款、支付等消費(fèi)行為，都能夠享受到量子通信的安全保障。

【責(zé)任編輯】蒲 暉