• 背景摘要
  • 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的通讯方式,是近二十年发展起来的新型交叉学科,是新的研究领域。
量子通信: “绝对安全”的通信
来源:深圳特区报     发布时间:2016-08-21

近日,英国《自然·光子学》杂志长文刊登新成果,宣告中国团队再破一道量子通信科研难关。中国科学家在国际上首次成功实现星地量子密钥分发的全方位的地面验证,为未来实现基于星地量子通信的全球化量子网络奠定坚实的技术基础。

所谓“量子通信”,是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信方式。这种通信技术最激动人心的地方在于其“绝不泄密”的本事,独特的加密方式使密钥具有不可复制性和绝对安全性,一旦有人窃取密钥,整个通信信息会“自毁”并告知使用者。

量子通信在很多领域有着重大的应用价值和前景,成为当今世界发达国家激烈竞争的焦点和热点。有科学家甚至预计,10年内有望实现全球化量子通信。

黑客遇到量子密码“没招”

古希腊的斯巴达人将一张皮革包裹在特定尺径的棍子上,再写上传递给他人的信息。而信息的接收者只需要有根同等尺径的棍子,收到皮革后再将皮革裹到棍子上就可以读出原始信息。即便这张皮革中途被截走,只要对方不知道棍子的尺径,所看到的也只是一些零乱而无用的信息。这就是历史上记载的人类最早对信息进行加密的方法之一。

保密学研究的是改变消息和信号的形式以隐蔽和复现其含义的规律,而在保密学中着重研究消息的变形及其合法复现的学科称为密码学。经过两千多年的发展,现代密码学所采用的加密方法通常是用一定的数学计算操作来改变原始信息。这种改变信息的方法是密钥,掌握密钥就可以将消息复原回来。

从理论上来说,传统的数学计算加密方法都是可以破译的,再复杂的数学密钥也可以找到规律。第一台现代计算机的诞生,就是为破解复杂的数学密码。随着计算机的飞速发展,破译数学密码的难度也逐渐降低,信息安全面临的挑战随之上升。幸运的是,量子理论为人类追求信息的绝对安全打开了一扇窗。

作为现代物理学的核心理论,量子理论百年来被无数次证明和应用,也被每一个物理学家熟知。在微观领域中,某些物理量不可连续分割,它的变化是以最小的单位跳跃式进行的,而不是连续的,这个最小的单位就叫做量子。20世纪初的实验发现,能量或物质细小到一定限度,就无法被准确测量了(测不准原理)。因为测量意味着干涉,当被测量物微小到极限,就不可能不被测量完全改变。理论上完美到极致的显微镜,对于一个量子级别的粒子也束手无策,因为一“碰”就毁坏了粒子的待测状态。

基于以上原理,科学家们提出量子密码的概念。这一概念还来源于一个有趣的故事。20世纪70年代,哥伦比亚大学一位年轻学者提出防范伪钞的量子货币的概念。根据他的理论,量子货币无法复制,一旦被复制就会损坏。不久,他把自己的想法写成论文投给一家专业性杂志。杂志编辑认为是天方夜谭,作退稿处理。上世纪80年代初,美国密码专家彼尼特和一位加拿大密码学家研究了这位年轻人的设想,发现由此可以建立量子密码,BB84量子密码方案随后问世。这也是目前国际上使用最多的一种量子密钥方案。

量子密码术打破传统加密方法的束缚,以量子状态作为密钥具有不可复制性,可以说是“绝对安全”的,令黑客一筹莫展。任何截获或测试量子密钥的操作,都会改变量子状态。因此,当一个无权知道某种信息的人想要窃取信息时,就很容易被发现。这样,截获者得到的只是无意义的信息,而信息的合法接收者也可以从量子态的改变,知道密钥曾被截取过。

传递信息犹如 “心灵感应”

量子密码后来被应用于量子通信系统中。所谓“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的通讯方式。

《格林童话》里提到,一对双胞胎兄弟心灵相通,即便是分道扬镳天各一方,弟弟遇难,哥哥即刻得知。在微观世界里,也有“心灵感应”的可能。这就是曾被爱因斯坦称作“幽灵般的超距离作用”的“量子纠缠”。

根据量子力学,有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系,不管它们被分开多远,只要一个粒子发生变化就能立即影响到另外一个粒子,即两个处于纠缠态的粒子无论相距多远,都能“感知”对方的状态。

量子纠缠现象使得光子、电子甚至原子之间能相互影响,相互制约,从而传递信息。理论上讲,这种纠缠可以使两点之间,不论距离的即时通信顺利完成。这种“超距离通信”不仅让人们感到新奇,而且带给科学家利用它来传递密钥的机会。

无论是二战时德军、日军的电报密码本,还是防盗版用的软件加密算法,总有被人偷走或破译的危险。然而,靠着量子纠缠的特性,科学家就可以给出一个无法窃取、也无从破译的密钥——你知我知,天不知地不知。

只要制造一对纠缠的粒子A和B,分别给信息的传送人和接收人,这对粒子就好像古代战争用的虎符一样,总是严格吻合。A粒子的状态,在传送人的测量下,表现为一系列随机值。由于A和B纠缠互感,所以十万八千里外的B粒子,也表现出了一系列的对应值。也就是说,发信人和收信人掌握了同一套密钥。

密钥的载体是量子态的粒子,所以不能被半路侦测(测不准原理)。有了绝对安全的密钥,传送人就可以放心大胆地把信息加密后传出去。

实用化面临诸多挑战

除可靠的安全性外,量子通信的突出优点还包括可消除线路时延,实现最快通信,可保证大容量、远距离传输等。

这些优点听来的确鼓舞人心。不过,量子通信是个极其复杂的技术问题,目前还未投入大规模应用。超长距离的量子通信仍在研究探索中,实用化面临着诸多挑战。

首先,量子信号在商用光纤上传输的不稳定性是量子保密通信技术实用化的主要技术障碍,很难让一对纠缠粒子在长距离通信上保持稳定。密码专家希望能够发展出某种形式的量子中继器,它本质上就是量子计算机的一种基本形式,可以克服距离的限制。其次,量子信号的绝对安全的路由问题则是实现量子通信网络的主要难题。因此,从根本上解决光纤传输的稳定性问题和光纤网络的量子路由问题一直是国际学术界的两大研究热点和难题。

虽然目前超长距离的量子通信似乎还停留在理论阶段,但这并不意味着研究人员的进展缓慢。事实上,近年来,科学家一直在刷新量子传输的距离纪录。其中,中国科学家取得的成绩更令世界刮目相看。《自然》杂志曾评论,在量子通信领域,中国用了不到十年时间,由一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅。

从1993年美国科学家提出量子通信的概念至今,已有20年时间。量子通信的理论框架已经基本形成,理论体系日趋完善。在技术研究和产品研制方面,量子通信也获得快速的发展,业界已研制出较为成熟的单光子探测器、量子密钥分发产品、纠缠源、量子随即数发生器、量子数据加密系统等。量子通信将逐渐步入实用化阶段。

成发达国家竞争的焦点

量子通信在军事、国防、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景,不仅可用于军事、国防等领域的国家级保密通信,还可用于涉及秘密数据、票据的政府、电信、证券、保险、银行、工商、地税、财政等领域和部门。它已成为当今世界发达国家激烈竞争的焦点和热点。

在美国,量子信息被列为《保持国家竞争力》计划的重点支持课题;美国的量子信息和计算研究所为美国军队研究部门所管理;美国的国家标准和技术研究所(NIST)将量子信息作为三个重点研究方向之一;加州理工大学、麻省理工学院和南加州大学联合成立量子信息和计算研究所;洛斯阿拉莫斯国家实验室正在研究量子局域网的密码体系和自由空间量子密码;美国白宫和五角大楼安装量子通信系统,并已投入使用。

日本提出以新一代量子信息通信技术为对象的长期研究战略,计划在2020年至2030年间,建成绝对安全保密的高速量子信息通信网,以实现通信技术质的飞跃。

在欧洲,欧盟在其《欧洲研究与发展框架规划》中专门提出用于发展量子信息技术的《欧洲量子科学技术》计划以及接下来的《欧洲量子信息处理与通信》计划,并在2008年9月发布关于量子密码的商业白皮书,启动量子通信技术标准化研究,联合来自12个欧盟国家的41个最优秀的量子信息研究组成立“基于密码的安全通信”工程。

此外,一些世界著名的大公司也对量子通信技术投入大量研发资本,实际介入量子通信技术的研发和产业化。

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