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濟社會生活的基本需求。千百年來，人們對于通信安全的追求從未停止。然而，基于計算復雜性的傳統(tǒng)加密技術，在原理上存在著被破譯的可能性。隨著數學和計算能力的不斷提升，經典密碼被破譯的可能性與日俱增。

“過去的電流流動抗干擾能力強，就像一個調皮搗蛋的小男孩，你說他幾句，他也滿不在乎?！敝袊萍即髮W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，像一個害羞的小女孩，你看她一眼，就會變化。就是這樣的特性，才能夠保密，一旦竊聽者接觸信息，就會讓它的狀態(tài)發(fā)生改變，通訊人發(fā)現信息狀態(tài)變化后便可及時應對。

量子通信就是將量子物理與信息技術相結合，利用量子調控技術，用一種革命性的方式對信息進行編碼、存儲、傳輸和操縱，從而在確保信息安全、提高運算速度、提升測量精度等方面突破經典信息技術的瓶頸。

通常認為，量子通信主要研究內容包括量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)。與經典通信不同，量子密鑰分發(fā)通過量子態(tài)的傳輸，在遙遠兩地的用戶共享無條件安全的密鑰，利用該密鑰對信息進行一次一密的嚴格加密，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)就好比一個人想要傳遞秘密給另外一個人，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過，傳送者會立刻發(fā)現，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，這是因為科學家利用量子有多個疊加態(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試量子密鑰，就會改變量子狀態(tài)，科學家便能立刻從改變中發(fā)現有人動了鑰匙。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性，就能實現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增加。由于量子不可克隆，使其成為絕對安全的通信方式，但也讓量子信號不能像經典通信一樣通過復制被放大，再加上地面?zhèn)鬏斝盘柕膿p耗非常大，因此之前地面上的量子通信，最遠距離不過百公里量級。

根據數據測算，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器，也需要數百萬年才能建立一個比特的密鑰。因此，如何實現安全、長距離、可實用化的量子通信是該領域的最大挑戰(zhàn)和國際學術界幾十年來奮斗的共同目標。

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

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

據中國科學院上海技術物理研究所研究員、量子科學實驗衛(wèi)星工程常務副總師、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損耗非常小的特點，通過衛(wèi)星的輔助可以大大擴展量子通信距離。同時由于衛(wèi)星具有方便覆蓋整個地球的獨特優(yōu)勢，是在全球尺度上實現超遠距離實用化量子密碼和量子隱形傳態(tài)最有希望的途徑。

從本世紀初以來，這一方向已成為國際學術界激烈角逐的焦點。潘建偉團隊為實現星地量子通信開展了一系列先驅性的實驗研究。

早在2003年，潘建偉團隊就提出了利用衛(wèi)星實現星地間量子通信、構建覆蓋全球量子保密通信網的方案，隨后于2004年在國際上首次實現了水平距離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)，驗證了穿過大氣層進行量子通信的可行性。2011年底，中科院戰(zhàn)略性先導科技專項“量子科學實驗衛(wèi)星”正式立項。2012年，潘建偉領銜的中科院聯(lián)合研究團隊在青海湖實現了首個百公里的雙向量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，充分驗證了利用衛(wèi)星實現量子通信的可行性。2013年，中科院聯(lián)合研究團隊在青海湖實現了模擬星地相對運動和星地鏈路大損耗的量子密鑰分發(fā)實驗，全方位驗證了衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)的可行性。隨后，團隊經過艱苦攻關，克服種種困難，最終成功研制了“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星，為構建覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了可靠的技術基礎。

三顆衛(wèi)星如何覆蓋全球

2400年前，墨子就發(fā)現了光線沿直線傳播，并設計了小孔成像實驗，還在《墨經》中提出的“光學八條”。有研究者將墨子稱作“科圣”，稱他是中國科學家的始祖，墨子在光學上的發(fā)現，也被人稱為光通信、量子通信的基礎發(fā)現。中國發(fā)射的全球首顆量子衛(wèi)星取名“墨子號”，也源于此。

截至目前，“墨子號”量子衛(wèi)星的三大科學目標皆已完成，其中星地高速量子密鑰分發(fā)實驗采用衛(wèi)星發(fā)射量子信號，地面接收的方式，“墨子號”量子衛(wèi)星過境時，與河北興隆地面光學站建立光鏈路，通信距離從645公里到1200公里。實驗結果顯示，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，這一重要成果為構建覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了可靠的技術基礎。以星地量子密鑰分發(fā)為基礎，將衛(wèi)星作為可信中繼，可以實現地球上任意兩點的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴展到覆蓋全球。

地星量子隱形傳態(tài)實驗是“墨子號”量子衛(wèi)星的科學目標之一,是利用量子糾纏特性可以將物質的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠地點，而不用傳送物質本身，通過隱形傳輸實現信息傳遞，遠距離量子隱形傳態(tài)是實現分布式量子信息處理網絡的基本單元。

在一般人眼里，“墨子號”量子衛(wèi)星開展的地星量子隱形傳態(tài)實驗頗有些神秘的感覺，因為它能像變戲法一樣將物體從甲地“移動”到乙地。

如果一個人要在很短的時間里從北京到達上海，如果不坐飛機、高鐵等交通工具，還能有什么辦法呢，潘建偉認為，未來有可能制造出一個像哆啦A夢的“任意門”那樣的神奇物質。

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

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

《自然》雜志審稿人稱：“這些結果代表了遠距離量子通信持續(xù)探索中的重大突破”， “這個目標非常新穎并極具挑戰(zhàn)性，它代表了量子通信方案現實實現中的重大進步”。業(yè)內人士評價，這一重要成果為未來開展空間尺度量子通信網絡研究，以及空間量子物理學和量子引力實驗檢驗等研究奠定了可靠的技術基礎。

有人擔心雖然量子密碼有不可破譯性，但隨著量子計算機的成功發(fā)明，量子密鑰有可能會失效。對此潘建偉表示，量子計算機與量子密碼之間不是“矛”與“盾”的關系，即便量子計算機獲得成功也無法破譯量子密碼。量子計算機理論上具有超快的并行計算和模擬能力，能解決經典計算機無法解決的大規(guī)模計算問題。從密碼領域看，所有以計算復雜性為基礎的密碼都可以被量子計算機破譯。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，這個密鑰就已經發(fā)生改變了，因此量子計算機無法破譯量子密碼。

還有人擔心量子通信的可靠性，因為如果量子通信一被干擾就無法傳輸，那么即便其不可破譯也無法達到信息傳輸的目的。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，傳輸當然無法實現。但如果我們將來能夠建成量子通信網絡，這個通路斷了用那個，或者多通路同時傳輸，就不存在這個問題了。

如果未來要想實現量子通信全球組網，需要有多少顆衛(wèi)星，中國科學院上海技術物理研究所研究員、量子科學實驗衛(wèi)星工程常務副總師、衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮王建宇認為，理論上講有三顆就能覆蓋全球了，但實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。

本報記者 蔡文清 J177 視覺中國供圖