量子通信將帶來更安全的互聯(lián)網(wǎng)

文／張文卓

量子通信是量子信息科學(xué)技術(shù)的一個(gè)分支。如同在傳統(tǒng)信息技術(shù)發(fā)展中，電磁波通信要早于計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)一樣。在量子信息學(xué)的發(fā)展中，量子通信也作為排頭兵走在了最前面，成為了量子信息科技最先的突破點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)化方向。

量子通信不應(yīng)該簡(jiǎn)單地從字面理解為用量子來通信，它的真實(shí)含義更廣泛，是利用量子力學(xué)原理對(duì)量子態(tài)進(jìn)行操控，在兩個(gè)地點(diǎn)之間進(jìn)行信息交互，可以完成經(jīng)典通信所不能完成的任務(wù)。

量子通信按照應(yīng)用場(chǎng)景和所傳輸?shù)谋忍仡愋涂煞譃榱孔用荑€分發(fā)和量子比特傳輸兩個(gè)方向。其中量子密鑰分發(fā)可以通過對(duì)量子態(tài)的傳輸和測(cè)量，為經(jīng)典比特傳輸（即我們最常用的數(shù)字通信）建立牢不可破的量子密碼加密，是為經(jīng)典信息做加密服務(wù)的量子通信。目前以量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)的量子加密通信已經(jīng)步入產(chǎn)業(yè)化階段，開始保護(hù)我們的信息安全。量子比特傳輸利用量子糾纏來傳輸量子比特，是服務(wù)量子計(jì)算機(jī)終端的量子通信，將應(yīng)用于未來量子計(jì)算之間的量子互聯(lián)網(wǎng)。

量子密鑰分發(fā)是可能在短期內(nèi)給我們帶來更安全互聯(lián)網(wǎng)的量子加密通信的核心技術(shù)。目前產(chǎn)業(yè)化的量子密鑰分發(fā)是由美國(guó)物理學(xué)家本內(nèi)特和加拿大密碼學(xué)家布拉薩德在1984年提出的BB84協(xié)議。該協(xié)議利用對(duì)微觀粒子量子態(tài)的測(cè)量會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)結(jié)果的量子力學(xué)原理，在收發(fā)兩端生成完全相同的隨機(jī)的二進(jìn)制密鑰，是一種私鑰體系。同時(shí)量子力學(xué)中的量子不可分割原理和不可克隆定理，保證了該密鑰在分發(fā)過程中不會(huì)被任何第三方無感知地截獲，也就是說，即便被竊聽，也會(huì)被通信的兩端馬上發(fā)現(xiàn)，只需丟棄被竊聽部分的密鑰，剩余的密鑰只有收發(fā)兩端可以知道，可以真正做到“天不知地不知，只有你知我知”。

因此，量子密鑰屬于私鑰體系，其作用可與部隊(duì)的機(jī)要部門通過人工遞送密鑰做類比。但人工遞送密鑰的管理成本極高，密鑰更新慢，并且傳遞和存儲(chǔ)的各環(huán)節(jié)都容易泄密。而量子密鑰可以做到實(shí)時(shí)更新和傳遞，陳舊密鑰及時(shí)銷毀，幾乎不存在泄密的可能，因此可以認(rèn)為是密碼學(xué)里最安全的私鑰體系。

量子密鑰分發(fā)生成的密鑰是一組真隨機(jī)的二進(jìn)制數(shù)，可自由選擇任意長(zhǎng)度，靈活用于不同長(zhǎng)度的二進(jìn)制信息的加密。由于密鑰本身隨機(jī)，用最簡(jiǎn)單的算法（如異或）加密就能實(shí)現(xiàn)無法破解的密文，幾乎不耗費(fèi)任何計(jì)算資源。根據(jù)信息論，這種隨機(jī)的密鑰通過“一次一密”的加密方式可以抵抗任何算法的破解，包括量子計(jì)算算法，達(dá)到信息論意義上的“無條件安全性”。因此量子密鑰分發(fā)從根本上保證了信息傳輸過程的安全性。這就是“量子加密通信”。

量子加密通信一經(jīng)提出，就獲得了廣泛關(guān)注，經(jīng)過三十多年的理論發(fā)展和實(shí)驗(yàn)不斷驗(yàn)證，世界上很多國(guó)家都相繼建成了使用BB84協(xié)議的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，以及在此基礎(chǔ)上運(yùn)行量子加密通信。這其中以中國(guó)的量子加密通信“京滬干線”為跨度最長(zhǎng)（2000余公里），節(jié)點(diǎn)最多，最先投入使用。

2017年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜的“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星已經(jīng)完成了人類歷史上首個(gè)星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，采用的是加入誘騙態(tài)的BB84協(xié)議，成碼率達(dá)到每秒5千比特，驗(yàn)證了星地量子通信的可行性，為建立全球化量子加密通訊網(wǎng)絡(luò)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星和量子保密通信“京滬干線”等大科學(xué)工程和應(yīng)用示范項(xiàng)目，讓中國(guó)在量子通信領(lǐng)域從基礎(chǔ)科研到應(yīng)用化和產(chǎn)業(yè)化都做到了世界第一。

未來量子加密通信將以產(chǎn)業(yè)化為主要目標(biāo)，從地面和空間雙管齊下，通過小型量子通信衛(wèi)星、光纖網(wǎng)絡(luò)組成天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)，為更安全的量子加密互聯(lián)網(wǎng)奠定基礎(chǔ)。