量子密碼，讓黑客們吃“白飯”

密碼，最重要的作用無疑是保護信息和資料的安全。因此，密碼的安全性是專家們一直追求的主要目標。而現在常用的標準加密方式是用一串隨機數字對信息進行編碼。但這種加密方案有一個致命的缺陷——就是這種密碼在被竊聽破解時，不會留下任何痕跡，合法用戶無法察覺，還會繼續使用同一個地址儲存重要信息，損失就會更大。為此，一種真正無法破譯的、最安全的密碼應運而生了。

它就是世界上最安全的密碼——“量子密碼”。

密碼術的發展史

古希臘的斯巴達人將一條1厘米寬、20厘米左右長的羊皮帶，以螺旋狀繞在一根特定粗細的木棍上，然后將要傳遞的信息沿木棍縱軸方向從左至右寫在羊皮帶上。寫完一行，將木棍旋轉90度，再從左至右寫，直至寫完。最后將羊皮帶從木棒上解下展開，羊皮帶上排列的字符即是一段密碼。這就是歷史上記載的人類最早對信息進行加密的方法之一。

后來，人們漸漸開始利用數學計算方法，用復雜的數字串對信息進行加密。然而，再復雜的數學密鑰也可以找到規律。第一臺現代計算機的誕生，就是為了破解復雜的數學密碼。隨著計算機的飛速發展，破譯數學密碼的難度也逐漸降低。

1918年，美國數學家吉爾伯特·維那姆發明了一種被人們稱為“無懈可擊的密碼”的一次性密碼。他用毫無規律可循的數字或字母來替代一段情報中的若干個字，而在以后發送情報時，不再重復使用這一套數字和字母隨機編排的程序。

這種密碼使用方式有明顯的弱點。每次發送情報，都需要重新編排一套加密和解碼的程序，不便于操作；而且，每次發送情報時，都需要把這套程序同時發送給指定的接收者，否則，就沒有解碼的鑰匙，而這把解碼的“鑰匙”也需要進行加密和解碼的設置，這樣，又出現了一把新的“鑰匙”…”

第二次世界大戰期間，納粹德國就是用這種為“鑰匙”加密再設置“鑰匙”的多重加密方式傳送情報，以為這是萬無一失的。結果，一次重復使用了同樣一把“鑰匙”的疏忽，使得極有耐心的英國情報人員破譯了德國人一連串的情報，在戰場上奪得了主動權。

密碼大戰逼迫人們不得不向科技頂端尋找信息的安全保障。幾乎在第二次世界大戰的戰爭硝煙飄散后不久，各國的科學家就不約而同地打起了物理學的主意。于是，最安全的密碼悄然地誕生了。

最安全的密碼——量子密碼

在現有的各種以科學理論為基礎的密碼中，沒有哪種是解不開的。而且，計算機技術的發展在使密碼術更復雜的同時，也降低了破譯密碼的難度。不過，在量子理論支配的世界里，這一切將會完全改變。

量子密碼學的理論基礎是量子力學，而以往密碼學的理論基礎是數學。與傳統密碼學不同，量子密碼學利用物理學原理保護信息。首先想到將量子物理用于密碼技術的是美國科學家威斯納。威斯納在“海森堡測不準原理”和“單量子不可復制定理”的基礎上，逐漸建立了量子密碼的概念。

量子力學是隨機性的取之不竭的源泉。這種隨機性非常特殊，無論多么聰明的竊聽者，在破譯密碼時都會留下痕跡。最令人驚嘆的是，量子密碼甚至能在被竊聽的同時自動改變!無疑，這是一種真正安全的、不可竊聽不可破譯的密碼。

量子密碼最基本的原理是，一個特殊的晶體將一個光子割裂成一對糾纏的光子，可稱為“量子糾纏”。根據量子力學原理，光子對中光子的偏振方向是不確定的，同時代表著“0”和“廠的混合體。只有當其中一個光子被測量或受到干擾，這個光子才有明確的偏振方向并有特殊的減幅。它代表“0”和“1”完全是隨機的，但一旦它的偏振方向被確定，另外一個光子就被確定為與之相關的偏振方向。當在兩端的檢測器使用相同的設定參數時，發送者和 接收者都可收到相同的偏振信息，也就是相同的數字。糾纏光子被吸收后，發送者和接收者就可以像在電話線或因特網一樣的公共渠道上討論參數的設定。在發送者和接收者用不同參數讀出的數據被去除后，他們就可有一個隨機產生的數字，成為一個完全安全的密碼編碼、解讀“鑰匙”。

我們也可以這樣描繪科學家們關于“量子密碼”的設想：由電磁能產生的量子(如光子)可以充當為密碼解碼的一次性使用的“鑰匙”。每個量子代表1比特含量的信息，量子的極化方式(波的運動方向)代表數字化信息的數碼。量子一般能以四種方式極化，水平的和垂直的，而且互為一組。兩條對角線的，也是互為一組。這樣，每發送出一串量子，就代表一組數字化信息。而每次只送出一個量子，就可以有效地排除黑客竊取更多的解密“鑰匙”的可能性。比方說，現在有一個竊密黑客開始向“量子密碼”動手了，我們就可以看到這樣一場有趣的游戲：竊密黑客必須先用接收設施從發射出的一連串量子中“吸”去一個量子。這時，發射密碼的一方就會發現發射出的量子流出現了空格。于是，竊密黑客為了填補這個空格，不得不再發射一個量子。但是，由于“量子密碼”是利用量子的極化方式編排密碼的，根據量子力學原理，同時檢測出量子的四種極化方式是完全不可能的，竊密黑客不得不根據自己的猜測隨便填補一個量子，這個量子由于極化方式的不同很快就會被發現。RSAhn密法被敲響淘汰的“警鐘”

在量子力學的學術研究領域耕耘了20多年的兩家公司，已經利用量子力學的原理創造出迄今為止世界上最安全的計算機加密法。

Id Quanhque公司前不久推出了一種量子密碼系統，而Magi Q技術公司也計劃將在最近時間內發布類似的量子密碼系統。用這種密鑰加密的任何電子郵件、電話金融交易都將是非常安全的。

在全球加密算法領域位于領導地位的美國RSA安全公司的首席科學家伯特·卡里斯基說：“如果你希望將某種信息保密10-30年，那么你就需要使用量子密碼。”

RSA加密法是目前最先進的加密技術，它允許兩個人之間使用公共密鑰和私有密鑰通過Internet互相傳送秘密的信息。破解RSA極其困難，但是今天的超級計算機用幾年的時間還是可以做到的。

隨著計算機速度的提升，RSA的加密技術也在不斷地改善，但是如果科學一旦開發出量子計算機，那么RSA加密就徹底失去了作用。硅晶體管的狀態要么是開要么是關(分別表示1或者0)，而量子計算機中的電子卻能在同一時刻展示出兩個不同方向的偏轉，因此能夠同時表示兩個值。與目前的超級計算機相比，采用這種疊加原理的計算機的運行速度將呈現指數級的增長。量子密碼的未來頗為可觀

目前，量子密碼的全部研究還在實驗室中，沒有進入實用階段。科學家們已經在量子密碼的相關研究中取得了一定進展，能在光纖中傳遞量子密碼。由于光子密鑰在光纖中傳輸時容易消耗，量子密碼長距離通信的難度較大。目前，實驗中的量子密碼的最大傳輸距離沒有超過100公里。

除了最初利用光子的偏振特性進行編碼外，現在還出現了一種新的量子密碼的編碼方法——利用光子的相位特性進行編碼。在長距離的光纖傳輸中，光子的偏振性會退化，造成誤碼率的增加。與偏振編碼相比，相位編碼的好處是對光的偏振態要求不那么苛刻。

任何一項科學研究，目的都是為了能夠服務于人類社會。“量子密碼”技術要達到可以普遍應用的目的，還需要科學家們去奮力攀登聳立的科學高峰。

要使這項技術可以操作，大體上需要經過這樣的程序：在地面發射量子信號——通過大氣層發送量子信號——衛星接收量子信號并轉發到散布在地球各個角落的指定接收目標。這項技術面對的挑戰之一，就是大氣層中的空氣分子會把量子一個個彈射到四面八方，很難讓它被指定的衛星吸收。因此，量子密碼的傳輸距離就無法實現質的飛躍。

另外，研究人員還有一道科技難關需要攻破。信息的傳遞，需要最快的速度，但在目前，接受加密量子流的單量子裝置必須在低溫冷卻的狀態下，但低溫狀態卻無法保證傳遞加密量子的速度。為此科學家已在抓緊研究一種辦法，力爭使單量子裝置在正常溫度下可以使用。據推測，這項研究在未來幾年內就可以見到成效。

在一些前沿領域，量子密碼技術非常被看好，很多針對應用的實驗正在進行。比如，美國的BBN多種技術公司正在進行一項研究實驗，他們把“量子密碼”引進了因特網，并加緊研究一種名為“開關”的設施，以便用戶可以在因特網上川流不息的加密量子流中接收屬于自己的密碼信息。這就如同給了用戶一面鏡子，用戶可以從自己手里的鏡子中得到彈射給他的那個密碼，而不再需要為其安裝一條條線路。

目前，人們要想做到有效地制備和操作量子體系的量子態還是十分困難的。人類在20世紀能夠精確地操控航天飛機和搬動單個原子，但卻未能掌握操控量子態的有效方法。在21世紀，我們應積極致力于量子技術的開發，推動科學和技術更迅速地發展。

(編輯／張蕙)