1、“噓！這是一個秘密”
“兩岸猿聲啼不住”，這是最原始的交流。猿猴們通過吼叫交流如憤怒、喜悅、進(jìn)攻、撤退等最簡單的信息。隨著時代的發(fā)展，智人掌握了語言，從眾多物種中脫穎而出，成為世界的霸主。我們可以依靠語言交流想法、講述故事、謀劃未來。在這一過程中，有時候保密十分關(guān)鍵。不加密的直接的溝通，可能會被競爭者或者敵人竊聽并理解，失去實(shí)行計(jì)劃的條件。形象地說：你和家人使用方言討論一些秘密的時候，你一定不想旁人能夠聽懂這一方言。
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（插圖：偷聽 繪圖：梁宇）
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不過如何保密長久困擾著人類。信息的載體從語言、泥板、羊皮、竹簡到現(xiàn)在的電位的01變換，信息保密的手段也在更迭換代，但是信息竊取的手段也是突飛猛進(jìn)。
傳統(tǒng)的信息是如何加密的呢？對于發(fā)送者而言，當(dāng)我們有一段需要傳遞的話，我們可以將其按照一定的規(guī)則（密鑰A）加密成一段與原文不相關(guān)的信息，然后發(fā)送出去。對于接受者，他在接受到這段信息的時候，能夠按照某種規(guī)則（密鑰B）將它對應(yīng)回原來的信息。如果竊聽者不知道對應(yīng)的法則，那么這段信息就成功的以保密的形式發(fā)送完成了。舉個實(shí)際常用的例子，比如小A計(jì)劃向去遠(yuǎn)方出差的小B發(fā)送“I Love You”。在沒有絕對可靠的信息交流通道，并且不想被旁人知道的情況下，小A該如何操作呢？
首先他需要先向小B傳輸解密的密鑰：0113113111121156125211221010，然后他再向小B發(fā)送密文：“7013013215212110211115111306”。當(dāng)這個密文被其他的人截獲并且沒有密鑰的情況下，很難獲取出正確的信息。當(dāng)小B獲取的時候，她需要怎么做呢？
（1）按照約定的算法得到原文：她將接收的密文與密鑰相乘得到原文，比如上面提到的密文與密鑰：0乘7、1乘0、1乘1、3乘3，以此類推，最終得到：“0019019215222150225215221000”
（2）按照約定的破譯方式進(jìn)行破譯：比如“0”對應(yīng)空字符或者空格，接下來的一個代表字母在26個字母表中排序是幾位數(shù)，隨后是這個字母的位置。比如其中的“0225215221”一段，解密出來就是的全文就是：空格、兩位數(shù)描述的位置、25、兩位數(shù)描述的位置、15、兩位數(shù)描述的位置、21，即：“ YOU”。
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（插圖：密文告白 繪圖：梁宇）
上面的方法體現(xiàn)的是一種對稱加密的思路（密鑰A=密鑰B），只有當(dāng)接收者同時獲得了密鑰與密文的時候，才能破譯出原文。但是當(dāng)小A、小B頻繁使用同一個密鑰的時候，竊聽者C就能發(fā)現(xiàn)密文之中存在某種規(guī)律，從而在不斷的嘗試中尋找到密鑰的編碼。所以只有在一個密鑰第一次使用的時候，通信才是保密的。
克勞德·艾爾伍德·香農(nóng)從數(shù)學(xué)證明得出：如果密文長度小于等于密鑰長度、密鑰之間各個數(shù)字沒有關(guān)聯(lián)并且密鑰僅使用一次，永不重復(fù)使用，密文將無法破解。這時候的通信是絕對安全的。但是這需要我們在每一次通訊的時候都發(fā)送一條密鑰，那么這就要求我們擁有一個絕對安全的通信通道（信道）。這就產(chǎn)生了一個悖論，如果有絕對安全的通信通道，那為什么還需要加密通信呢？如果我們重復(fù)使用相同密鑰，竊聽者就可以從中找到規(guī)律，將密鑰破解出來，這時的通信將毫無秘密可言。所以加密通信的關(guān)鍵在于密鑰的傳遞，如果我們能夠完美保密地傳遞密鑰，我們就可以做到絕對安全的通信。
2、“你會幫我保守秘密嗎”
那么有什么方法能夠做到完全的保密呢？
在經(jīng)典物理或者數(shù)學(xué)的范疇內(nèi)，不存在這樣的事情?！癐nformation is physical”，任何的信息都是需要物理介質(zhì)的，所以它的傳輸、儲存都是符合物理原理的。那么它就可以被攔截、被拷貝、被銷毀、被更改。無論是密鑰還是密文，在傳輸?shù)倪^程中都可能被其他人獲取。任何的數(shù)學(xué)加密都只是在這樣的基礎(chǔ)上修修補(bǔ)補(bǔ)，沒有辦法改變信息傳播的本質(zhì)。原則上，我們可以通過計(jì)算機(jī)不斷地嘗試來破解任何數(shù)學(xué)的加密方法。只要時間足夠，沒有什么數(shù)學(xué)加密的手段是不能破解的。如果有，那就兩倍時間！
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量子通信概念圖 （圖源：央視新聞）
但是，真的就沒有秘密可言了嗎？如果想解決這個問題，我們需要從原理上突破現(xiàn)有的限制——物理的介質(zhì)。我們需要更換信息的介質(zhì)，使得它可以不受到經(jīng)典物理的約束，讓它不能被攔截、不能被復(fù)制、不能被摧毀、不能在沒有察覺的情況下被更改。
隨著科學(xué)的進(jìn)步，一些突破想象的東西開始出現(xiàn)——量子力學(xué)。一系列的量子現(xiàn)象挑戰(zhàn)著經(jīng)典物理的限制。既然量子范疇內(nèi)的現(xiàn)象突破了經(jīng)典物理的原理，那么也就意味著它能突破經(jīng)典信息傳輸?shù)南拗啤?/p>
3、“我絕對不會說出去的”
使用經(jīng)典物理載體的信息必然受到經(jīng)典物理原理的限制，而使用量子載體的量子信息僅受到量子力學(xué)的限制。相比于使用宏觀物質(zhì)作為信息傳遞介質(zhì)的傳統(tǒng)通信手段，量子通訊大多采用光子作為信息傳遞的介質(zhì)。與經(jīng)典通訊中以比特（bit）作為最小信息量的單位類似，量子通訊的信息量的單位是量子比特（quantum bit）。由于采用了具有量子特性的光子作為信息的載體，所以量子信息具備量子的幾種行為，比如量子的疊加性、相干性、量子的非局域性、量子時間演化幺正性、量子不可克隆定理等等。
其中量子的非局域性表現(xiàn)出一個大家熟知的現(xiàn)象——量子糾纏。這是量子通訊的基礎(chǔ)。
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（圖3：量子糾纏 繪圖：史金陽）
量子糾纏可以被理解為：A、B、C、D……等等子系統(tǒng)組成了一個整體， A子系統(tǒng)將會受到其他子系統(tǒng)的影響。當(dāng)我們對糾纏態(tài)中的一個子系統(tǒng)進(jìn)行測量時，將會引起其他子系統(tǒng)的坍縮。通俗點(diǎn)來講，當(dāng)我們使用一對分別處于A地區(qū)與B地區(qū)的EPR粒子進(jìn)行通信的時候，我們可以通過對A地區(qū)粒子的操作，使得B地區(qū)的粒子的量子態(tài)發(fā)生變化，從而達(dá)到通信的目的。
由于量子的線性性質(zhì)，量子態(tài)不能被完美復(fù)制。這就意味著竊聽者不能通過對一個未知的量子態(tài)復(fù)制的方法獲得通訊的信息。其次，當(dāng)竊聽者企圖識別未知的量子態(tài)的時候，量子態(tài)的不可識別定理保證了任何試圖直接竊聽的行為都會留下痕跡。
有了這樣的保密傳輸手段，我們就可以做到安全通信了。但是由于量子傳輸數(shù)據(jù)量有限，我們并不會使用量子通訊傳輸大量的信息，而是選擇傳遞密鑰?，F(xiàn)有的BB84、B92、ERP等量子密鑰的傳輸方案提供了可行的量子通信辦法。
在一次一密的模式下，我們使用量子信道傳遞密鑰（一次性便簽密鑰），使用傳統(tǒng)信道傳遞密文，既保證了傳遞的信息量也不必?fù)?dān)心任何人能夠破譯這段密文信息，因?yàn)楦`聽者絕對不能在不被察覺的情況下獲取密鑰。只要我們能保證密鑰的安全，我們甚至可以通過廣播的方式向接收者發(fā)送密文。
作者丨史金陽 近代物理研究所
審稿丨吳葉舟 浙江大學(xué)副教授
文章由騰訊“全民愛科學(xué)”團(tuán)隊(duì)推出
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