量子保密，完美無缺？

王煜

2017年8月10日，中國科學院宣布，“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星用1年時間提前實現(xiàn)了既定2年完成的科學目標；和“墨子號”共同得到關注的，還有隨后正式投入使用的量子通信骨干網絡“京滬干線”。它們共同標志著我國在量子通信領域的研究在國際上達到全面領先的優(yōu)勢地位，其中就包含了聽起來引人入勝的“絕對安全”的量子保密技術。

它，真的有那么神嗎？

為什么“絕對安全”？

需要明確的是：密碼學和量子技術兩者各自包含的內容都很豐富，目前人們討論的已經可以開始實際運用的，只是量子技術在“密鑰分配”這個具體的分支上的作用。

密碼學中所謂“絕對安全”，并非是一般的字面意思，而是一個數學術語，它的含義是：即使他人截取了密文，也無法破譯出明文。美國數學家、電子工程師和密碼學家，被譽為信息論的創(chuàng)始人克勞德·香農證明了一個數學定理——密鑰如果滿足以下三個條件，那么密鑰就可以是“絕對安全”的：一、密鑰是一串隨機的字符串；二、密鑰的長度跟明文一樣，甚至比明文更長；三，每傳送一次密文就更換一次密鑰，即“一次一密”。

“絕對安全”的前兩個條件已經在一定程度上被傳統(tǒng)的加密技術滿足，而“一次一密”是最難廣泛推行的，因為這種方式需要通信的雙方不斷地更新密鑰，并且分發(fā)給對方，成本較高。而量子密鑰分配可以解決這個問題。

在量子密鑰分配中，密鑰并不是預先就有的，而是在雙方建立通信之后，通過雙方的一系列操作產生出來的。利用量子力學的特性，可以使雙方同時在各自手里產生一串隨機數，而且不用看對方的數據。如果確定對方的隨機數序列和自己的隨機數序列是完全相同的，這串隨機數序列就被用作密鑰。量子密鑰的產生過程，同時就是分發(fā)過程。量子密鑰是一串隨機的字符串，長度可以任意長，而且每次需要傳輸信息時都重新產生一段密鑰，這樣就完全滿足了香農定理的三個要求，是“絕對安全”的。

另一方面，量子加密也可以讓通信的甲乙雙方比較容易地知道密鑰在傳輸的過程中是否被竊聽。

竊聽者騙取量子密鑰有兩種策略：一是將甲發(fā)來的量子比特進行克隆，然后再發(fā)給乙方。但量子的不可復制性確保竊聽者無法克隆出正確的量子比特序列，因而也無法獲得最終的密鑰。另一種策略是竊聽者隨機地測量每個量子比特所編碼的隨機數，然后將測量后的量子比特冒充甲方的量子比特發(fā)送給乙方。但按照量子力學理論，測量必然會干擾量子態(tài)，因此這個“冒充”的量子比特與原始的量子比特可能不一樣，這將導致甲乙雙方各自得到的隨機數序列出現(xiàn)誤差。他們經由隨機比對，只要發(fā)現(xiàn)誤碼率異常地高，便知有竊聽者存在，判斷這樣的密鑰不安全，換用新的密鑰。只有當他們確認密鑰無竊聽者存在，才使用它進行加密通信。而接下來的通信方式就跟傳統(tǒng)的手段完全相同了。

總之，量子保密通信的全過程包括兩步。第一步是密鑰的產生和分發(fā)，這一步用到量子力學的特性，需要特別的方案和設備。第二步是密文的傳輸，這一步就是普通的通信，可以利用任何現(xiàn)成的通信方式和設施。目前，量子保密通信所有的奇妙之處都在第一步上，而并不是在于傳輸信息本身，所以它又被叫做“量子密鑰分發(fā)”。

“墨子號”和“京滬干線”的突破

量子密鑰分發(fā)用到的是處于量子糾纏態(tài)的光子，而現(xiàn)實中，糾纏的光子是很脆弱的，不容易保存和傳輸。要解決這個問題，需要持續(xù)的科研和技術突破。

最初，糾纏光子的傳輸距離只在實驗室里的兩個容器之間，后來發(fā)展到幾十米、幾百米、幾公里，之后在很長一段時間內，量子密鑰安全傳輸距離只有10公里的量級，因此學術界曾經認為量子加密術基本已經到到達極限了。然而，2003至2005年期間，中國和韓國科學家發(fā)展出了新的通信協(xié)議，使得安全傳輸距離可以提高到百公里的量級。從此之后，量子加密術蓬勃發(fā)展，而中國獲得了領先地位，大部分的新紀錄都是中國科學技術大學潘建偉領銜的的研究團隊創(chuàng)造的。

2016年8月16日，“墨子號”量子衛(wèi)星上天時，光纖中的安全傳輸距離已經超過了200公里。2016年11月，中國科學技術大學、清華大學、中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所、濟南量子技術研究院等單位合作，又把安全傳輸距離提高到了404公里，而且在102公里處的安全成碼率已經足以保證安全的語音通話。

百公里級別的量子加密范圍，對于一個城市內部的通信來說已經足夠，我國也確實在合肥、蕪湖、北京、上海、濟南等地的城市內部建設了實驗性的量子政務網。但要超出這個區(qū)域，就要靠新的方式。

潘建偉表示：在城市范圍內，通過光纖構建城域量子保密通信網絡是最佳方案。但要實現(xiàn)遠距離甚至全球量子保密通信，僅依靠光纖技術是遠遠不夠的。

他解釋說，因為光子在光纖里傳播100公里之后大約只有1‰的信號可以到達最后的接收站，所以光纖量子保密通信達到百公里量級就很難再突破。但光子穿透整個大氣層后卻可以保留80%左右，再利用衛(wèi)星的中轉，就可以實現(xiàn)地面上相距數千公里甚至覆蓋全球的廣域量子保密通信。

2005年，潘建偉團隊實現(xiàn)了13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發(fā)實驗，證明光子穿透大氣層后，其量子態(tài)能夠有效保持，從而驗證了星地量子通信的可行性。近幾年開展的一系列后續(xù)實驗都為發(fā)射量子衛(wèi)星奠定了技術基礎。

“墨子號”發(fā)射升空后，在世界上首次實現(xiàn)了衛(wèi)星和地面之間的量子保密通信。在2017年9月29日的新聞發(fā)布會上，中國科學院院長白春禮就通過“墨子號”與奧地利地面站進行了量子加密通信，與奧地利科學院院長安東·塞林格進行了世界首次洲際量子保密通信視頻通話。endprint