量子保密通信，给“悄悄话”加把“锁”

林宽雨

我们每个人都有小秘密。有时候我们想把小秘密告诉某个人，为了不让其他人听到，可以把这个人叫到身边悄悄告诉他。而我们在军事、金融等领域的通信中，也有很多是只能让指定的人或机构接收的“悄悄话”。为了不让不相干的人听到，人们就想办法将“悄悄话”加密，以防止信息在长距离传递过程中被第三者获悉。今天我们就来讲一种保密性很好的通信方式——量子通信，看看人们如何利用量子技术给“悄悄话”加把“锁”。

通信加密两绝招

在介绍量子保密通信之前，我们先来见识一下两大常见的加密绝招：对称密钥加密和非对称密钥加密。

对称密钥加密

所谓对称密钥加密，简单来说就是发件人利用密钥将明文加密成密文，收件人在收到文件后利用密钥将密文破译成明文。因为加密和解密用的是同一种密钥，所以叫对称密钥加密。

非对称密钥加密

虽然用对称密钥加密的密文不好破译，但密钥在传递的过程中存在被敌人截获的风险。为此，人们想出了另一种加密方法——非对称密钥加密。这种加密方式简单来说就是有两个不同的密钥，一个用来加密，一个用来破译。这两个密钥就像是锁和钥匙，它们都是收件人制造的，收件人会把“钥匙”留在手中而把“锁”邮寄给发件人。因为最终用来破译密文的“钥匙”不用传递，所以这种方式可以避免密钥在传递过程中可能遇到的风险。

武功盖世计算机

虽然目前采用非对称密钥加密的密文要想通过普通计算机破译大概需要成千上万年，但随着科技的快速发展，云计算、大型机等相继出现，尤其是未来可能还会有实力更可怕的计算机被广泛应用，那就是量子计算机，人们依然感受到了危机。

量子计算机是一种遵循量子力学规律进行运算、存储和处理量子信息的物理装备。虽然量子计算机也是用来解决各种计算、信息问题的，但与普通计算机不同的是，量子计算机能同时进行多种计算工作。正因如此，量子计算机的实力跟普通计算机完全不在一个层级，普通计算机需要15万年计算完的数据，量子计算机不用1秒就能搞定。如果碰上计算能力这么强大的计算机，非对称密钥也只能举手投降了。

量子计算机的出现得益于一种神奇的小不点，它就是量子。德国物理学家马克思·普朗克在1900年提出了一个著名的量子理论。在这个理论里，量子还有两个超出我们传统认知的神奇之处。

叠加状态

在我们的认知里，任何物体在某一时刻只有一种状态，比如你要么醒着要么睡着。但在微观世界里的量子却不是这样，它在某一时刻可以处于多种状态的叠加。奥地利物理学家薛定谔曾用一只猫形容量子的这个特性：把一只猫和一个装有毒物的瓶子放进一个封闭的房间里，因为瓶子可能破碎释放毒物，也可能不破碎不释放，所以我们觉得这只猫要么死了要么活着。但在微观世界里，这只猫处于一种死猫和活猫叠加的状态，既是死猫又是活猫。遗憾的是量子的这种神奇特性并不能展示在我们面前，一旦我们去测量它，它就会变成叠加状态中的一种。

心有灵犀

量子虽然不存在双胞胎的说法，却能感知对方。据说在微觀世界里，两个量子无论相距多远，只要其中一个状态发生变化，另一个也会瞬间跟着改变。如果心有灵犀也有等级，那量子之间的这种心有灵犀一定是王者级别的。这种特性也被称为量子纠缠。

破译密文有方法

如何让“悄悄话”更安全，安全到连计算机都无计可施呢？在这个问题上人们又打起了量子的主意。因为量子具有心灵感应的神奇特性，在使用量子通信时，一方发生改变，另一方也会立刻改变，不会造成通信延迟。另外，量子不可复制，每一对纠缠的量子都是独特的，因此通信内容也很难被窃取。量子保密通信采用的是对称密钥加密的方式，但与普通的对称密钥加密不同的是，量子通信不需要传递密钥。通过发送光子，再利用量子的神奇特性和一些关于量子通信的协议，收件人和发件人就能得到相同的密钥，然后就可以按照我们熟悉的对称密钥加密的方式传递密文了。

量子通信新征程

虽然量子通信的安全性能很突出，但它也有一个明显的弱点：在通道中奔跑的耐力不足。随着传输距离增加，量子通信的传输速度会越来越慢。如果在速度接近于0时还没到达目的地，传输就将以失败告终。正因如此，现在研究量子通信的国家都在努力提升量子通信的传输距离。我国在量子通信领域的研究虽然起步较晚，但发展迅速，2016年成功将世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”送上天，之后取得了一系列令世界瞩目的成就。2017年，世界首条千公里级量子保密通信干线——京沪干线建成启用，在京沪干线和“墨子号”的合作下，我国成功实现世界首次洲际量子保密通信；2021年1月，我国成功实现跨越4600千米、覆盖四省三市共计32个节点的密钥分发；2022年4月，我国将光纤中的量子直接通信距离提升到了100千米，这是当前世界上最长的量子直接通信距离。此外，中国电信发布了业内首款基于量子信息技术的加密通话产品——天翼量子高清密话，说不定很快我们就能用上量子密话手机了。未来，随着量子通信技术的高速发展，我国在量子通信领域还会创造更多的辉煌，让我们拭目以待吧。

除了文中提到的量子计算和量子通信，量子还有一个主要用途，那就是精密测量。传统的测量设备最小只能测到微米级别，而依靠量子技术打造的测量设备却可以测量大小只有纳米级别甚至更小的物质。未来这些精密的测量仪器可能会在石油勘探、医疗、生命科学等领域做出突出贡献。