“墨子号”量子卫星

8月16日1时40分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。此次发射任务的圆满成功，标志着我国空间科学研究又迈出重要一步。

那么，量子卫星到底是用来做什么的？我们该如何去认识它呢？一起来看看科学家是如何解释的吧！

量子卫星上天啦

量子卫星是中国科学院空间科学先导专项的第三颗星

新闻上说：

“量子卫星将完成包括星地高速量子密钥分发、广域量子通信网络、星地量子纠缠分发以及地星量子隐形传态等多项科学实验任务。”

等一等，让我们先讲个故事。

1994年， 一篇可能是数学史上最短的数学论文问世了。文章的内容仅是一个乘法算式：

为什么这篇论文如此重要

为什么这篇论文如此重要？

因为它破解了RSA129位数的密码。

RSA是目前仍被认为最有影响力的公钥加密算法。

1977年，美国的三位科学家：

罗纳德·李维斯特（Ron Rivest）

阿迪·萨莫尔（Adl Shamir）

伦纳德·阿德曼（Leonard Adleman）

一起提出了用于数据加密的RSA公钥加密算法。

它的可靠性基于一个数学难题：

两个质数的乘积计算非常简单， 但把乘积因式分解非常困难。数越大，越难解。

他们三人给出了上面提到的129位数， 并声称如果有人解出这个数是哪两个质数相乘， 那就可以获得隐藏在其中的神秘信息（破译密码）。

加密时，我们把要发送的信息（密码学里将信息的原文叫做“明文”），通过一些变换法则和某些重要的参数，变成看起来毫无意义的乱码（“密文”）。接收信息的人，再通过重要参数和变换法则还原出信息的本来面目。

这些重要的参数，就是密钥。

信息加密的过程和我们平时锁东西差不多。

即使在密文传递过程中，黑客盗取了密文，如果没有重要的参数密钥，他也无法还原出明文。 。

人类一直使用对称密钥来加密信息。一直到1976年，这都还是唯一的公开加密法。对称密钥很好用，不过密钥的分发和保存是个大问题！

非对称密钥的发明，解决了密钥在运输过程中可能出现的问题。

非对称密钥又称公开密钥加密

1977年，科学家又提出了RSA公钥加密算法，就是我们上面提到的算法。

多个发送方可以通过同一把钥匙A把明文加密，接收方只需要用另一把钥匙B把密文解密。

这样，用来解密的钥匙始终保留在接收方手里，不用担心钥匙运输的问题，很方便。

非对称密钥的安全性取决于计算安全性。

然而随着计算机计算能力的增强，基于计算安全性的密码不再坚固！

如果量子计算机研制成功，基于算法的密钥将无密可保！

面对量子计算机，世界上没有安全的密码了吗？

科学家想起了一种对称密码

一次一密的方法和其他对称密钥一样，密码运输、保管的成本太高。一直被认为过于理想化，而被人们搁置不用。

随着量子力学的发展，人们发现利用量子力学的基本原理，既可以轻松实现一次一密，又能保证密钥分发过程绝对安全。

量子卫星将量子密钥发送给两个地面站，再通过比对，建立最终的绝对安全的量子密钥。

拥有相同量子密钥的两个站，可以把使用量子密钥加密的信息，通过邮件、互联网、无线电话等经典的方式传递，而不用担心信息会泄露。

在量子通信里面，信号传播的载体都是单个的光子，不能被放大。这是量子力学自身的特性决定的。

在大气或光纤中传播，光信号会衰减。传播到100多千米的时候，信号基本上衰减差不多了，所以量子通信的距离受到很大限制。想传输得更远，需要不断建立更多的中继站。

发射量子卫星，光信号仅通过10千米左右的大气层，信号衰减很少。可以将通信范围扩展到全球距离。

量子卫星除了配钥匙这个工作外，还会进行多个量子力学实验，包括史上最远距离的量子纠缠分发来检验贝尔不等式，进一步验证量子力学的正确性。此外，另外一种直接传输量子比特的量子通信方式—量子隐形传态，也是实验的主要目的之一。

（本文摘编自“中科院之声”微信公众号）