量子卫星上天了

杨阳

中国科学院量子科学实验卫星2016年7月发射，并连接地面光纤量子通信网络。这是世界首个量子卫星，中国也成为国际上率先实现高速星地量子通信的国家。卫星成功运行后，中国不仅在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，结合地面已有的光纤量子通信网络，中国将初步构建一个广域量子通信体系，其中包括全长2000千米的广域光纤量子通信网络“京沪干线”。这意味着一个“天地一体化”的量子通信网络将初步形成，也意味着我国自20世纪80年代起，历经30多年的量子信息研究终于走向实用。

传统加密的不可靠性

电子通信时代，信息安全脆弱得像一层窗户纸，基于计算复杂度的经典加密体系一次次被破解，绞尽脑汁的信息加密最终可能沦为形同虚设。唯一的解决之道，就是求助于保障信息安全的“终极武器”——量子通信。 说白了，就是用量子密钥替代目前的公钥加密技术。公钥加密技术，简单的说，就是拿两个很大的质数A和B进行乘积，然后把这个乘积作为公钥进行加密，然后用质数A或B进行解密。虽然得到A和B的乘积很容易，但是要直接从这个乘积分解成两个质数，就非常非常难。但是随着计算能力的不断提高，尤其是基于量子计算机的shor算法的出现，让基于大数因子分解的公钥加密技术变得越来越脆弱。

这就是为什么在通信技术如此发达的今天，各国间涉及政治外交、军事安全的大部分机密信件和物品，仍然通过最传统的方式——外交信使来传递。即便是再高级的保密通信，只要是通过当前的电话线、无线电、光纤等手段，都会面临被破译和窃听的可能。

量子通信是最安全的通信方式

理论上，量子密钥分发克服了经典加密技术内在的安全隐患，是迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式。量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信方式。量子通信是理论上完全安全的通信方式。由于作为信息载体的单光子不可分割、量子状态不可克隆，可以实现抵御任何窃听的密钥分发，进而能保证用其加密的内容不可破译。量子通信是经典信息论和量子力学相结合的一门新兴交叉学科，与成熟的通信技术相比，量子通信具有巨大的优越性，具有保密性强、大容量、远距离传输等特点。量子通信不仅在军事、国防等领域具有重要的作用，而且会极大地促进国民经济的发展。

量子通信的科学原理

一个物理量如果不能连续变化，只能取一些分立的值，这个量就是量子化的。好比上台阶，只能上一级台阶，而不能上半级。宏观世界里的物理量似乎都能连续变化，但在微观世界，许多物理量是量子化的，即存在一个最小的单位，不能再往下细分。量子力学描述世界的语言与经典力学有根本区别。经典力学描述一个物体的状态，会给出它的明确位置；量子力学描述一个微观粒子的状态，给出的则是叠加态——这个粒子在某些情况下既可能在这里，也可能在那里，没有确定位置。好比孙悟空的分身术，一个孙悟空同时出现在多个地方，孙悟空的各个分身就像是他的叠加态。在通信领域，经典通信的信号只有0和1，量子通信不但有信号0和1，还有0+1、0-1等量子叠加态。量子叠加原理导致了量子不可克隆原理：在量子力学中，不可能实现对一个未知量子态的精确复制，这是量子通信达到“无条件安全”的基本科学原理之一。量子通信是利用了光子等粒子的量子纠缠原理。量子信息学告诉人们，在微观世界里，不论两个粒子间距离多远，一个粒子的变化都会影响另一个粒子的现象叫量子纠缠，这一现象被爱因斯坦称为“诡异的互动性”。科学家认为，这是一种“神奇的力量”，可成为具有超级计算能力的量子计算机和量子保密系统的基础。

任何窃听都会扰动量子态

任何经典通信都存在被窃听的可能性。如打电话时，他人可通过窃听器，从通信线路中的信号中分出一些，使其进入另一根线路。窃听时，0和1这两种信号不会被扰动，所以通话者无法察觉。《纽约时报》2015年报道，美国国家安全局被曝监听谷歌、雅虎用户的通信，不需要侵入两家公司的数据中心，只需截取光缆、电缆中传输的信息即可。这些跨国企业的数据中心分布在世界各地，用光缆和电缆相互连接，很多情况下传输信息并不加密，埋下了窃听隐患。即便采用经典加密手段，也不能确保信息安全。

与经典通信不同，量子通信可以将信息编码加载到单个光子的量子叠加态的偏振方向上。单光子是光能量的最小组成单元，不能再被分割，量子状态无法被精确复制，任何窃听行为都会对其造成扰动，从而被通信双方察觉并规避。通过量子态传输，通信双方协商生成量子密钥，再加上对信息进行“一次一密”的加密保护，真正实现信息在传输中的完全随机、不可破译，从根本上解决通信安全问题。

未来数年内量子通信将大规模应用

未来数年内，量子通信将实现大规模应用。经典通信的硬件设施不会被取代，只需在原有设施上“锦上添花”——在通信发送端和接收端安装单光子探测器、量子网关等量子加密设备，即可在电话、传真、光纤网络等原有通信网络中实现量子通信，安全性大幅提升。

由于量子密码通信的特殊性，决定了它应该首先被应用到保密等级比较高的军事、政治、金融等重点领域。

科学家预测，在不久的将来，量子通信就能进入千家万户。希望通过十年左右的努力，将来每个人在互联网上进行的转款、支付等消费行为，都能够享受到量子通信的安全保障。

【责任编辑】蒲 晖