百科：量子衛(wèi)星上天了

中國科學院量子科學實驗衛(wèi)星2016年7月發(fā)射，并連接地面光纖量子通信網絡。這是世界首個量子衛(wèi)星，中國也成為國際上率先實現(xiàn)高速星地量子通信的國家。衛(wèi)星成功運行后，中國不僅在世界上首次實現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，結合地面已有的光纖量子通信網絡，中國將初步構建一個廣域量子通信體系，其中包括全長2000千米的廣域光纖量子通信網絡“京滬干線”。這意味著一個“天地一體化”的量子通信網絡將初步形成，也意味著我國自20世紀80年代起，歷經30多年的量子信息研究終于走向實用。
　　傳統(tǒng)加密的不可靠性
　　電子通信時代，信息安全脆弱得像一層窗戶紙，基于計算復雜度的經典加密體系一次次被破解，絞盡腦汁的信息加密最終可能淪為形同虛設。唯一的解決之道，就是求助于保障信息安全的“終極武器”——量子通信。 說白了，就是用量子密鑰替代目前的公鑰加密技術。公鑰加密技術，簡單的說，就是拿兩個很大的質數(shù)A和B進行乘積，然后把這個乘積作為公鑰進行加密，然后用質數(shù)A或B進行解密。雖然得到A和B的乘積很容易，但是要直接從這個乘積分解成兩個質數(shù)，就非常非常難。但是隨著計算能力的不斷提高，尤其是基于量子計算機的shor算法的出現(xiàn)，讓基于大數(shù)因子分解的公鑰加密技術變得越來越脆弱。

　　這就是為什么在通信技術如此發(fā)達的今天，各國間涉及政治外交、軍事安全的大部分機密信件和物品，仍然通過最傳統(tǒng)的方式——外交信使來傳遞。即便是再高級的保密通信，只要是通過當前的電話線、無線電、光纖等手段，都會面臨被破譯和竊聽的可能。
　　量子通信是最安全的通信方式
　　理論上，量子密鑰分發(fā)克服了經典加密技術內在的安全隱患，是迄今為止唯一被嚴格證明是無條件安全的通信方式。量子通信是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型通信方式。量子通信是理論上完全安全的通信方式。由于作為信息載體的單光子不可分割、量子狀態(tài)不可克隆，可以實現(xiàn)抵御任何竊聽的密鑰分發(fā)，進而能保證用其加密的內容不可破譯。量子通信是經典信息論和量子力學相結合的一門新興交叉學科，與成熟的通信技術相比，量子通信具有巨大的優(yōu)越性，具有保密性強、大容量、遠距離傳輸?shù)忍攸c。量子通信不僅在軍事、國防等領域具有重要的作用，而且會極大地促進國民經濟的發(fā)展。
　　量子通信的科學原理
　　一個物理量如果不能連續(xù)變化，只能取一些分立的值，這個量就是量子化的。好比上臺階，只能上一級臺階，而不能上半級。宏觀世界里的物理量似乎都能連續(xù)變化，但在微觀世界，許多物理量是量子化的，即存在一個最小的單位，不能再往下細分。量子力學描述世界的語言與經典力學有根本區(qū)別。經典力學描述一個物體的狀態(tài)，會給出它的明確位置；量子力學描述一個微觀粒子的狀態(tài)，給出的則是疊加態(tài)——這個粒子在某些情況下既可能在這里，也可能在那里，沒有確定位置。好比孫悟空的分身術，一個孫悟空同時出現(xiàn)在多個地方，孫悟空的各個分身就像是他的疊加態(tài)。在通信領域，經典通信的信號只有0和1，量子通信不但有信號0和1，還有0+1、0-1等量子疊加態(tài)。量子疊加原理導致了量子不可克隆原理：在量子力學中，不可能實現(xiàn)對一個未知量子態(tài)的精確復制，這是量子通信達到“無條件安全”的基本科學原理之一。量子通信是利用了光子等粒子的量子糾纏原理。量子信息學告訴人們，在微觀世界里，不論兩個粒子間距離多遠，一個粒子的變化都會影響另一個粒子的現(xiàn)象叫量子糾纏，這一現(xiàn)象被愛因斯坦稱為“詭異的互動性”?？茖W家認為，這是一種“神奇的力量”，可成為具有超級計算能力的量子計算機和量子保密系統(tǒng)的基礎。
　　任何竊聽都會擾動量子態(tài)
　　任何經典通信都存在被竊聽的可能性。如打電話時，他人可通過竊聽器，從通信線路中的信號中分出一些，使其進入另一根線路。竊聽時，0和1這兩種信號不會被擾動，所以通話者無法察覺?！都~約時報》2015年報道，美國國家安全局被曝監(jiān)聽谷歌、雅虎用戶的通信，不需要侵入兩家公司的數(shù)據中心，只需截取光纜、電纜中傳輸?shù)男畔⒓纯伞＿@些跨國企業(yè)的數(shù)據中心分布在世界各地，用光纜和電纜相互連接，很多情況下傳輸信息并不加密，埋下了竊聽隱患。即便采用經典加密手段，也不能確保信息安全。
　　與經典通信不同，量子通信可以將信息編碼加載到單個光子的量子疊加態(tài)的偏振方向上。單光子是光能量的最小組成單元，不能再被分割，量子狀態(tài)無法被精確復制，任何竊聽行為都會對其造成擾動，從而被通信雙方察覺并規(guī)避。通過量子態(tài)傳輸，通信雙方協(xié)商生成量子密鑰，再加上對信息進行“一次一密”的加密保護，真正實現(xiàn)信息在傳輸中的完全隨機、不可破譯，從根本上解決通信安全問題。
　　未來數(shù)年內量子通信將大規(guī)模應用
　　未來數(shù)年內，量子通信將實現(xiàn)大規(guī)模應用。經典通信的硬件設施不會被取代，只需在原有設施上“錦上添花”——在通信發(fā)送端和接收端安裝單光子探測器、量子網關等量子加密設備，即可在電話、傳真、光纖網絡等原有通信網絡中實現(xiàn)量子通信，安全性大幅提升。
　　由于量子密碼通信的特殊性，決定了它應該首先被應用到保密等級比較高的軍事、政治、金融等重點領域。
　　科學家預測，在不久的將來，量子通信就能進入千家萬戶。希望通過十年左右的努力，將來每個人在互聯(lián)網上進行的轉款、支付等消費行為，都能夠享受到量子通信的安全保障。
　　【責任編輯】蒲 暉