無法破譯是怎么做到的

通信安全是國家信息安全和人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)生活的基本需求,。千百年來,，人們對(duì)于通信安全的追求從未停止,。然而,，基于計(jì)算復(fù)雜性的傳統(tǒng)加密技術(shù),，在原理上存在著被破譯的可能性,。隨著數(shù)學(xué)和計(jì)算能力的不斷提升,，經(jīng)典密碼被破譯的可能性與日俱增,。

“過去的電流流動(dòng)抗干擾能力強(qiáng),，就像一個(gè)調(diào)皮搗蛋的小男孩,，你說他幾句，他也滿不在乎,?！敝袊萍即髮W(xué)張永德教授用打比方的方法來介紹量子通信，他說,，微觀的粒子非常小,，很脆弱，像一個(gè)害羞的小女孩,，你看她一眼,，就會(huì)變化。就是這樣的特性,，才能夠保密,，一旦竊聽者接觸信息,，就會(huì)讓它的狀態(tài)發(fā)生改變，通訊人發(fā)現(xiàn)信息狀態(tài)變化后便可及時(shí)應(yīng)對(duì),。

量子通信就是將量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合,，利用量子調(diào)控技術(shù)，用一種革命性的方式對(duì)信息進(jìn)行編碼,、存儲(chǔ),、傳輸和操縱，從而在確保信息安全,、提高運(yùn)算速度,、提升測(cè)量精度等方面突破經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸。

通常認(rèn)為,，量子通信主要研究內(nèi)容包括量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài),。與經(jīng)典通信不同，量子密鑰分發(fā)通過量子態(tài)的傳輸,，在遙遠(yuǎn)兩地的用戶共享無條件安全的密鑰,，利用該密鑰對(duì)信息進(jìn)行一次一密的嚴(yán)格加密，這是目前人類唯一已知的不可竊聽,、不可破譯的無條件安全的通信方式,。潘建偉介紹，量子密鑰分發(fā)就好比一個(gè)人想要傳遞秘密給另外一個(gè)人,，需要把存放秘密的箱子和一把鑰匙傳給接收方,。接收方只有用這把鑰匙打開箱子，才能取到秘密,。沒有這把鑰匙,，別人無法打開箱子，而且一旦這把鑰匙被別人動(dòng)過,，傳送者會(huì)立刻發(fā)現(xiàn),，原有的鑰匙作廢，再給一把新的鑰匙,，直到確保接收方本人拿到,。

為什么鑰匙被別人一碰，就能立刻被知曉呢,，這是因?yàn)榭茖W(xué)家利用量子有多個(gè)疊加態(tài)的原理,，用量子作為密鑰。這樣一來,，一旦有人試圖截獲或測(cè)試量子密鑰,，就會(huì)改變量子狀態(tài)，科學(xué)家便能立刻從改變中發(fā)現(xiàn)有人動(dòng)了鑰匙,。所以,，利用量子不可克隆和不可分割的特性,，就能實(shí)現(xiàn)無條件安全的通信方式,。

量子通信通常采用單光子作為物理載體,，最為直接的方式是通過光纖或者近地面自由空間信道傳輸。但是,，這兩種信道的損耗都隨著距離的增加而指數(shù)增加,。由于量子不可克隆，使其成為絕對(duì)安全的通信方式,，但也讓量子信號(hào)不能像經(jīng)典通信一樣通過復(fù)制被放大,，再加上地面?zhèn)鬏斝盘?hào)的損耗非常大，因此之前地面上的量子通信,，最遠(yuǎn)距離不過百公里量級(jí),。

根據(jù)數(shù)據(jù)測(cè)算，通過1200公里的光纖,，即使有每秒百億發(fā)射率的單光子源和完美的探測(cè)器,，也需要數(shù)百萬年才能建立一個(gè)比特的密鑰。因此,，如何實(shí)現(xiàn)安全,、長距離、可實(shí)用化的量子通信是該領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)和國際學(xué)術(shù)界幾十年來奮斗的共同目標(biāo),。

如何能更好地利用量子這把“雙刃劍”,，實(shí)現(xiàn)安全、長距離,、可實(shí)用化的量子通信,，以潘建偉為代表的科學(xué)家將目光投向了外太空。

外太空光信號(hào)損耗非常小,，因此通過衛(wèi)星的輔助可以大大擴(kuò)展量子通信距離,。

據(jù)中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員、量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程常務(wù)副總師,、衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮王建宇介紹,，利用外太空幾乎真空因而光信號(hào)損耗非常小的特點(diǎn)，通過衛(wèi)星的輔助可以大大擴(kuò)展量子通信距離,。同時(shí)由于衛(wèi)星具有方便覆蓋整個(gè)地球的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),，是在全球尺度上實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離實(shí)用化量子密碼和量子隱形傳態(tài)最有希望的途徑。

從本世紀(jì)初以來,，這一方向已成為國際學(xué)術(shù)界激烈角逐的焦點(diǎn),。潘建偉團(tuán)隊(duì)為實(shí)現(xiàn)星地量子通信開展了一系列先驅(qū)性的實(shí)驗(yàn)研究。

早在2003年,，潘建偉團(tuán)隊(duì)就提出了利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)星地間量子通信,、構(gòu)建覆蓋全球量子保密通信網(wǎng)的方案,，隨后于2004年在國際上首次實(shí)現(xiàn)了水平距離13公里（大于大氣層垂直厚度）的自由空間雙向量子糾纏分發(fā)，驗(yàn)證了穿過大氣層進(jìn)行量子通信的可行性,。2011年底,，中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”正式立項(xiàng)。2012年,，潘建偉領(lǐng)銜的中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在青海湖實(shí)現(xiàn)了首個(gè)百公里的雙向量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài),，充分驗(yàn)證了利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)量子通信的可行性。2013年,，中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在青海湖實(shí)現(xiàn)了模擬星地相對(duì)運(yùn)動(dòng)和星地鏈路大損耗的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn),，全方位驗(yàn)證了衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)的可行性。隨后,，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過艱苦攻關(guān),，克服種種困難，最終成功研制了“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星,，為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ),。

三顆衛(wèi)星如何覆蓋全球

2400年前，墨子就發(fā)現(xiàn)了光線沿直線傳播,，并設(shè)計(jì)了小孔成像實(shí)驗(yàn),，還在《墨經(jīng)》中提出的“光學(xué)八條”。有研究者將墨子稱作“科圣”,，稱他是中國科學(xué)家的始祖,，墨子在光學(xué)上的發(fā)現(xiàn)，也被人稱為光通信,、量子通信的基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn),。中國發(fā)射的全球首顆量子衛(wèi)星取名“墨子號(hào)”，也源于此,。

截至目前,，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的三大科學(xué)目標(biāo)皆已完成，其中星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)采用衛(wèi)星發(fā)射量子信號(hào),，地面接收的方式,，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星過境時(shí)，與河北興隆地面光學(xué)站建立光鏈路,，通信距離從645公里到1200公里,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在1200公里通信距離上,，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高萬億億倍,。

潘建偉表示，這一重要成果為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。以星地量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ),，將衛(wèi)星作為可信中繼,，可以實(shí)現(xiàn)地球上任意兩點(diǎn)的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴(kuò)展到覆蓋全球,。

地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)是“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)之一,是利用量子糾纏特性可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點(diǎn),，而不用傳送物質(zhì)本身，通過隱形傳輸實(shí)現(xiàn)信息傳遞,，遠(yuǎn)距離量子隱形傳態(tài)是實(shí)現(xiàn)分布式量子信息處理網(wǎng)絡(luò)的基本單元,。

在一般人眼里，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星開展的地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)頗有些神秘的感覺,，因?yàn)樗芟褡儜蚍ㄒ粯訉⑽矬w從甲地“移動(dòng)”到乙地。

如果一個(gè)人要在很短的時(shí)間里從北京到達(dá)上海,，如果不坐飛機(jī),、高鐵等交通工具，還能有什么辦法呢,，潘建偉認(rèn)為,，未來有可能制造出一個(gè)像哆啦A夢(mèng)的“任意門”那樣的神奇物質(zhì)。

“墨子號(hào)”衛(wèi)星進(jìn)行的量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn),，則是采用地面發(fā)射糾纏光子,、天上接收的方式，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星過境時(shí),，與海拔5100米的西藏阿里地面站建立光鏈路,。地面光源每秒產(chǎn)生8000個(gè)量子隱形傳態(tài)事例，地面向衛(wèi)星發(fā)射糾纏光子,，實(shí)驗(yàn)通信距離從500公里到1400公里,，所有6個(gè)待傳送態(tài)均以大于99.7%的置信度超越經(jīng)典極限。

如果不采用量子通信的方式,，假設(shè)在同樣長度的光纖中重復(fù)這一工作,，需要3800億年——也就是宇宙年齡的20倍，才能觀測(cè)到一個(gè)事例,。

《自然》雜志審稿人稱：“這些結(jié)果代表了遠(yuǎn)距離量子通信持續(xù)探索中的重大突破”,， “這個(gè)目標(biāo)非常新穎并極具挑戰(zhàn)性，它代表了量子通信方案現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)中的重大進(jìn)步”,。業(yè)內(nèi)人士評(píng)價(jià),，這一重要成果為未來開展空間尺度量子通信網(wǎng)絡(luò)研究，以及空間量子物理學(xué)和量子引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)等研究奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ),。

有人擔(dān)心雖然量子密碼有不可破譯性,，但隨著量子計(jì)算機(jī)的成功發(fā)明，量子密鑰有可能會(huì)失效。對(duì)此潘建偉表示,，量子計(jì)算機(jī)與量子密碼之間不是“矛”與“盾”的關(guān)系,，即便量子計(jì)算機(jī)獲得成功也無法破譯量子密碼。量子計(jì)算機(jī)理論上具有超快的并行計(jì)算和模擬能力,，能解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的大規(guī)模計(jì)算問題,。從密碼領(lǐng)域看，所有以計(jì)算復(fù)雜性為基礎(chǔ)的密碼都可以被量子計(jì)算機(jī)破譯,。但量子通信的不可破譯性是基于量子的不可克隆原理,，因此只要試圖竊取量子密鑰，這個(gè)密鑰就已經(jīng)發(fā)生改變了,，因此量子計(jì)算機(jī)無法破譯量子密碼,。

還有人擔(dān)心量子通信的可靠性，因?yàn)槿绻孔油ㄐ乓槐桓蓴_就無法傳輸,，那么即便其不可破譯也無法達(dá)到信息傳輸?shù)哪康?。潘建偉解釋說，量子通信與傳統(tǒng)通信方式的抗干擾能力是一樣的,。如果一條信道被切斷了,，傳輸當(dāng)然無法實(shí)現(xiàn)。但如果我們將來能夠建成量子通信網(wǎng)絡(luò),，這個(gè)通路斷了用那個(gè),，或者多通路同時(shí)傳輸，就不存在這個(gè)問題了,。

如果未來要想實(shí)現(xiàn)量子通信全球組網(wǎng),，需要有多少顆衛(wèi)星，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員,、量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程常務(wù)副總師,、衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮王建宇認(rèn)為，理論上講有三顆就能覆蓋全球了,，但實(shí)踐中還是要看用戶的需求和衛(wèi)星軌道,，如果是地球同步軌道衛(wèi)星的話，三顆就能覆蓋全球,。

本報(bào)記者 蔡文清 J177 視覺中國供圖