量子通信：我的“魔法”你不懂

兩千多年來(lái)，密碼成為人們保護(hù)信息的主要手段。然而，既然有人創(chuàng)造出密碼，就有人挖空心思地想要破解密碼。當(dāng)各種信息安全事件接連上演時(shí)，人們不禁在問(wèn)：有沒(méi)有一種絕對(duì)不被破譯、信息絕對(duì)安全的通信方式？

答案就是量子通信，這是迄今為止唯一被嚴(yán)格證明是無(wú)條件安全的通信方式。

量子，是微觀物理世界中的最小單位。聽(tīng)起來(lái)很神秘，它卻無(wú)時(shí)無(wú)刻不在我們身邊。比如常見(jiàn)的光，就是由大量的光量子組成。在物理學(xué)中常用到量子的概念，指一個(gè)不可分割的基本個(gè)體，例如“光的量子”（光子）是光的單位。在現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)知中，幾乎任何已知事物都是可測(cè)的，即物質(zhì)的狀態(tài)是確定的；而在量子的世界里，某些物質(zhì)則可以同時(shí)處于多個(gè)可能的狀態(tài)。

我們來(lái)想象一下，在微觀領(lǐng)域里，量子像一粒骰子，處在不停的旋轉(zhuǎn)中，各個(gè)面都可能朝上。只有在被觀測(cè)或者測(cè)量時(shí)，它才會(huì)停下來(lái)，隨機(jī)呈現(xiàn)出一個(gè)朝上的面。但是，這種測(cè)量本身意味著干涉，意味著原先的狀態(tài)遭到破壞而發(fā)生改變。換個(gè)角度說(shuō)，量子一旦被測(cè)量過(guò)，就不再是原來(lái)的那個(gè)量子了。

就是基于這一原理，不同于現(xiàn)有電子通信普遍采用的數(shù)學(xué)計(jì)算產(chǎn)生密鑰，科學(xué)家運(yùn)用具有量子態(tài)的物質(zhì)作為量子通信的密碼。這一看似微小的變化，卻使密鑰的安全性發(fā)生了徹底變化。量子密鑰是將數(shù)字密鑰儲(chǔ)存在特殊的量子信息中，并在量子通信線(xiàn)路中傳輸。當(dāng)量子信息被竊聽(tīng)后，就會(huì)產(chǎn)生無(wú)法還原的痕跡，科學(xué)家正是利用量子的不可復(fù)制性達(dá)到保密通信的目的。

我們可以這樣設(shè)想一下，如果一個(gè)偷聽(tīng)者想在某一個(gè)地方偷聽(tīng)信息，或者將該信息內(nèi)容復(fù)制下來(lái)，這就是一種測(cè)量行為，這種測(cè)量對(duì)量子體系來(lái)說(shuō)意味著對(duì)整個(gè)體系的破壞，其結(jié)果是被測(cè)量的信息將全部消失。例如，一旦有人試圖打開(kāi)信件，量子密鑰就會(huì)讓信件自毀，并讓使用者知曉。

而要將這種密鑰傳遞出去，科學(xué)家還用到了量子理論的另一特性一量子糾纏效應(yīng)。糾纏，是一種被愛(ài)因斯坦稱(chēng)為“幽靈般的超距離作用”的量子相互關(guān)聯(lián)現(xiàn)象：有共同來(lái)源的兩個(gè)微觀量子，即便它們隔著一個(gè)太陽(yáng)系，只要一個(gè)量子發(fā)生變化，另一個(gè)量子就會(huì)立刻發(fā)生相應(yīng)變化，就像一對(duì)彼此存在“心靈感應(yīng)”的攣生兒一樣。兩個(gè)量子間的傳遞速度至少是光速的1萬(wàn)倍，時(shí)延幾乎為零，從而實(shí)現(xiàn)了最快通信。

量子通信更安全

量子通信示意圖

與現(xiàn)代通信手段不同，只要制造并操控好這對(duì)相互糾纏的量子，這種絕對(duì)安全、超光速且不存在任何電磁輻射污染的量子通信就能夠?qū)崿F(xiàn)。而且，量子通信還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，有科學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，甚至可以用來(lái)進(jìn)行星際聯(lián)絡(luò)。

從1993年美國(guó)科學(xué)家提出量子通信的概念至今，各國(guó)投入了大量人力、物力進(jìn)行量子通信的理論和實(shí)驗(yàn)研究。在這場(chǎng)國(guó)際化競(jìng)爭(zhēng)中，我國(guó)盡管屬于后來(lái)者，但起點(diǎn)高、進(jìn)展快，在應(yīng)用研究的多個(gè)方面已經(jīng)領(lǐng)跑世界。

在量子通信領(lǐng)域，我國(guó)已處于國(guó)際領(lǐng)先地位。2016年，我國(guó)成功發(fā)射了世界上首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”。我國(guó)之所以要發(fā)射量子衛(wèi)星，是因?yàn)槿缃袢藗円验_(kāi)發(fā)成功的量子通信技術(shù)，其極限距離僅300千米，需要借助數(shù)量龐大的中繼站才能構(gòu)建一個(gè)長(zhǎng)距離的量子通信網(wǎng)絡(luò)，而通過(guò)天上的量子衛(wèi)星，能輕而易舉地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離乃至全球范圍的量子通信網(wǎng)絡(luò)。

2017年，我國(guó)建成全球首條商用量子保密通信線(xiàn)路一“京滬干線(xiàn)”，它長(zhǎng)達(dá)2000多千米。從最早的安徽蕪湖及合肥城域網(wǎng)到世界首條商用量子保密通信干線(xiàn)“京滬干線(xiàn)”，若以鐵路、公路等交通基礎(chǔ)設(shè)施類(lèi)比，國(guó)內(nèi)量子保密通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)歷了從“地鐵網(wǎng)絡(luò)”到“高鐵網(wǎng)絡(luò)”的發(fā)展。

可以預(yù)期的是，也許在不久的將來(lái)，人們就能徹底告別信息泄露的威脅了。

世界上最早的密碼情報(bào)

公元前405年，雅典和斯巴達(dá)之間的伯羅奔尼撒戰(zhàn)爭(zhēng)末期，斯巴達(dá)軍隊(duì)抓住了一名雅典信使，他身上有一條寫(xiě)滿(mǎn)雜亂無(wú)章的希臘字母的腰帶。當(dāng)這條腰帶呈螺旋形纏繞在一根特定直徑的木棍上時(shí)，這些字母竟然神奇地組成了一段可讀的文字。這便是世界上最早的密碼情報(bào)。