無(wú)法破譯是怎么做到的

通信安全是國(guó)家信息安全和人類(lèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)生活的基本需求。千百年來(lái)，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(guò)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(shuō)他幾句，他也滿不在乎?！敝袊?guó)科技大學(xué)張永德教授用打比方的方法來(lái)介紹量子通信，他說(shuō)，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(tīng)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?jī)?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(guò)量子態(tài)的傳輸，在遙遠(yuǎn)兩地的用戶(hù)共享無(wú)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(lèi)唯一已知的不可竊聽(tīng)、不可破譯的無(wú)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(kāi)箱子，才能取到秘密。沒(méi)有這把鑰匙，別人無(wú)法打開(kāi)箱子，而且一旦這把鑰匙被別人動(dòng)過(guò)，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(lái)，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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)百公里量級(jí)。

根據(jù)數(shù)據(jù)測(cè)算，通過(guò)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(wàn)年才能建立一個(gè)比特的密鑰。因此，如何實(shí)現(xiàn)安全、長(zhǎng)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(guó)際學(xué)術(shù)界幾十年來(lái)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(zhǎng)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(guò)衛(wèi)星的輔助可以大大擴(kuò)展量子通信距離。

據(jù)中國(guó)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(guò)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(lái)，這一方向已成為國(guó)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(kāi)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(guó)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(guò)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(zhuān)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(guò)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(chēng)作“科圣”，稱(chēng)他是中國(guó)科學(xué)家的始祖，墨子在光學(xué)上的發(fā)現(xiàn)，也被人稱(chēng)為光通信、量子通信的基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)。中國(guó)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(guò)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(wàn)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(guò)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(kāi)展的地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)頗有些神秘的感覺(jué)，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(lái)有可能制造出一個(gè)像哆啦A夢(mèng)的“任意門(mén)”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(guò)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(zhǎng)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(chēng)：“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(lái)開(kāi)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(wú)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(wú)法解決的大規(guī)模計(jì)算問(wèn)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(wú)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(wú)法傳輸，那么即便其不可破譯也無(wú)法達(dá)到信息傳輸?shù)哪康?。潘建偉解釋說(shuō)，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(wú)法實(shí)現(xiàn)。但如果我們將來(lái)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(wèn)題了。

如果未來(lái)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(guó)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(hù)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(jué)中國(guó)供圖