量子卫星开启人类保密通信新纪元

2017-01-10

科学大众·小诺贝尔 2016年10期

2016年8月16日，中国研发的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心成功发射升空。它将有望实现全球化量子保密通信，这也是中国科技开始引领世界的一个象征。什么是量子卫星呢？它又将如何引领人类的发展呢？小编带你一探究竟。

量子通信，独步天下

量子卫星是什么？简单地说，量子卫星是一颗通信卫星。不过，量子卫星可不是一颗简单的通信卫星，因为它在信息传播的过程中，传播速度不仅高效，而且还有一项独步天下的本领——量子通信！量子通信的最大特点就是所有的数据和信号传输都是绝对保密的，再也不必担心信息被窃取。

保密不简单

要想做到信息的保密，可不是一件简单的事情。

公元前405年，雅典和斯巴达之间的伯罗奔尼撒战争末期，斯巴达军队抓住了一名雅典信使，他身上有一条写满杂乱无章的希腊字母的腰带。当这条腰带呈螺旋形缠绕在一根特定直径的木棍上时，这些字母竟然神奇地组成了一段可读的文字。这便是世界上最早的密码情报。

两千多年来，密码成为人们保护信息的主要手段。最初的木棍，也经历了人工加密、机器编码、计算机编码等技术的升级换代。然而，既然有人创造出密码，就有人挖空心思地想要破解密码。

二战时期，日本海军各个单位都用同一套密码本，其中的密码都是规定死的。一旦敌方缴获了密码本，或者破解了部分密码，就会获取大量军事机密。结果，美军破解了密码，摸清了日本海军总司令山本五十六的行踪。

德军倒是聪明很多。他们设计了一种机器，在运转的时候会产生成千上万种新的密码，叫做谜机。但是敌方缴获谜机后，也可以制造专门破解谜机的机器。所以，英军破解了谜机，加速了纳粹德国的灭亡。

现代的银行交易和网络支付都使用一种叫RSA的加密算法。假如将来有人发明了量子计算机，就完全有可能破解这种算法，到时候可就麻烦了。人们迫切地需要一种绝对安全的保密系统。这时候，量子通信应运而生。

具有心灵感应的“量子双胞胎”

传统的密码可以被破解，那量子通信就不会被破解吗？这就要说说量子科学了。

量子，是微观物理世界中的最小单位。听起来很神秘，它却无时无刻不在我们身边，比如常见的光，就是由大量的光量子组成的。在物理学中常用到量子的概念，指一个不可分割的基本个体，例如“光的量子”（光子）是光的单位。

量子通信的基本原理是：两颗纠缠的光子被拆散之后，无论相距多远总会有“心灵感应”，一个形态发生变化，另一个会像镜子一样同步变化，这个现象叫做量子纠缠效应。

量子纠缠效应，听起来很复杂是不是？小编也是看了很多资料才慢慢理解这些词语的。为了方便同学们理解，我们可以想象这么一个场景：A想把信息传递给B，可是，C总是对他们之间传递的信息很感兴趣，于是会在A、B传递信息的时候想办法看到他们的信件，甚至会篡改他们的信件。A、B不想让信件被C看到，于是，想办法加密码。可是，密码再保密，C也总能想到解密的方法，只是解密的时间长短问题。A、B对此非常苦恼。现在，量子卫星产生的特殊的量子保密钥匙（简称密钥）就起到了作用。

密钥是成对出现的，一对密钥就像一对有着心灵感应的双胞胎一样，其中一把密钥发生了变化，另一个也跟着做相应的变化。科学家把这种感应叫做“纠缠效应”。A想把信息传递给B，于是量子卫星就先把双胞胎密钥甲、乙先分别送到A和B家。A先把想传输的信息文件用密钥甲加密，然后把文件传给B。如果在传输的过程中C截获了这些信息文件，在没密钥甲和密钥乙的情况下，C是无法打开信息文件的。如果C想强行打开文件，文件会瞬间自毁，并且通知A和B信息泄漏。如果C想去偷密钥甲，在他碰到密钥甲的一瞬间，密钥甲就会发生形变。

B接到文件信息后，再通过常规通信方式联系A，对比密钥甲和密钥乙的形状。如果甲乙的形状一样，就说明信息是安全的。这时候，B就可以通过密钥乙来打开文件啦。密钥甲和密钥乙每传完一次文件后，就会相互发生一次变化。这样， A、B之间的交流再也不用担心被C偷看到了。

当然，太空量子加密通讯要比这复杂得多。同学们通过上面这个场景了解一下量子卫星大致是如何工作的就可以了。

量子通信的应用前景

科学家预计，作为保障未来信息社会通信安全的关键技术，未来10年内，量子保密通信有望走向大规模应用，在电子政务、电子商务、电子医疗、国防军事、生物特征传输和智能传输系统等各领域大显身手。

按照计划，2020年实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发，2030年建成全球化量子通信网络。相信用不了多久，人们就将彻底告别信息泄漏了。