“墨子號(hào)”新成就：從太空發(fā)送不可破解的密碼

量子密鑰發(fā)送效率可以滿足絕對(duì)安全的打電話或銀行傳輸大量數(shù)據(jù)的需求

中國(guó)“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)從衛(wèi)星到地面的高速量子密鑰分發(fā)，為建立最安全保密的全球量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定可靠基礎(chǔ)。

量子衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉說(shuō)，“墨子號(hào)”量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)采用衛(wèi)星發(fā)射量子信號(hào)，河北興隆與新疆南山地面站分別接收的方式，在北京和烏魯木齊之間建立了量子密鑰。

據(jù)介紹，“墨子號(hào)”過(guò)境時(shí)與地面光學(xué)站建立光鏈路，通信距離從645公里到1200公里。在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個(gè)數(shù)量級(jí)（萬(wàn)億億倍）。衛(wèi)星上量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)送4000萬(wàn)個(gè)信號(hào)光子，一次過(guò)軌對(duì)接實(shí)驗(yàn)約10分鐘可生成300千比特（kbit）的安全密鑰，平均成碼率可達(dá)1.1千比特/秒。

“這樣的密鑰發(fā)送效率可以滿足絕對(duì)安全的打電話或銀行傳輸大量數(shù)據(jù)的需求。”潘建偉說(shuō)。

他說(shuō)，這一重要成果為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。以星地量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)，將衛(wèi)星作為可信中繼，可以實(shí)現(xiàn)地球上任意兩點(diǎn)的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴(kuò)展到覆蓋全球。此外，將量子通信地面站與城際光纖量子保密通信網(wǎng)（如合肥量子通信網(wǎng)、濟(jì)南量子通信網(wǎng)、京滬干線）互聯(lián)，可以構(gòu)建覆蓋全球的天地一體化保密通信網(wǎng)絡(luò)。

絕對(duì)安全的保密通信

通信安全是國(guó)家信息安全和人類(lèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)生活的基本需求，也是當(dāng)代世界的難題。竊聽(tīng)、反竊聽(tīng)；加密、解密……這些密碼學(xué)中的矛與盾處于恒久的博弈之中。

保密通信的原理在于，唯有掌握密鑰，才能輕易重現(xiàn)傳遞的信息。信息的安全性主要依賴于密鑰的秘密性。然而，傳統(tǒng)加密技術(shù)在原理上存在著被破譯的可能性。隨著數(shù)學(xué)和計(jì)算能力的不斷提升，經(jīng)典密碼被破譯的可能性與日俱增。20世紀(jì)90年代，美國(guó)數(shù)學(xué)家肖爾證明量子計(jì)算可以攻破目前廣泛使用的公鑰體系。2015年11月，美國(guó)科技公司谷歌推出的D-Wave量子計(jì)算機(jī)，宣稱其在解決問(wèn)題時(shí)能夠比其他任何計(jì)算機(jī)都快一億倍，并能破解任何現(xiàn)有密鑰體系。

有沒(méi)有絕對(duì)安全的保密通信，讓竊聽(tīng)、破譯者無(wú)計(jì)可施？所幸的是，量子物理提供了解決這一問(wèn)題的辦法。如果量子計(jì)算機(jī)是針對(duì)傳統(tǒng)密碼的“利劍長(zhǎng)矛”，那么量子密碼技術(shù)就是抵御它的“堅(jiān)固盾牌”。量子密碼提供了一種不可竊聽(tīng)、不可破譯的新一代密碼技術(shù)。

專家介紹，與經(jīng)典通信不同，量子密鑰分發(fā)通過(guò)量子態(tài)的傳輸，在遙遠(yuǎn)兩地的用戶共享無(wú)條件安全的密鑰，利用該密鑰對(duì)信息進(jìn)行一次一密的嚴(yán)格加密，這是目前人類(lèi)唯一已知的不可竊聽(tīng)、不可破譯的無(wú)條件安全的通信方式。

潘建偉說(shuō)，量子密鑰就是在A和B之間共同生成一串只有他們兩邊知道的隨機(jī)數(shù)，然后用這個(gè)隨機(jī)數(shù)來(lái)加密。量子密鑰一旦被截獲或者被測(cè)量，其自身狀態(tài)就會(huì)立刻發(fā)生改變。截獲量子密鑰的人只能得到無(wú)效信息，而信息的合法接收者則可以從量子態(tài)的改變中得知量子密鑰曾被截取過(guò)。將量子密鑰應(yīng)用于量子通信中，就是量子保密通信。與傳統(tǒng)通話方式相比，量子保密通信采用的是“一次一密”的工作機(jī)制，通話期間，密碼機(jī)每分每秒都在產(chǎn)生密碼，一旦通話結(jié)束，這串密碼就會(huì)立即失效，且下次通話不會(huì)重復(fù)使用。

潘建偉打了個(gè)比方，古人在信封上用火漆封口，一旦信件被中途拆開(kāi)，就會(huì)留下泄密的痕跡。量子密鑰在量子通信中的作用比火漆更徹底，因?yàn)橐坏┯腥嗽噲D打開(kāi)“信件”，量子密鑰會(huì)讓“信件”自毀，并讓使用者知曉。

從太空突破極限

他說(shuō)，量子通信通常采用單光子作為物理載體，最為直接的方式是通過(guò)光纖或者近地面自由空間信道傳輸。但是，這兩種信道的損耗都隨著距離的增加而指數(shù)增加。由于量子不可克隆原理，單光子量子信息不能像經(jīng)典通信那樣被放大，這使得之前的量子通信的局限在百公里量級(jí)。

“根據(jù)數(shù)據(jù)測(cè)算，通過(guò)1200公里的光纖，即使有每秒百億發(fā)射率的單光子源和完美的探測(cè)器，也需要數(shù)百萬(wàn)年才能建立一個(gè)比特的密鑰。因此，如何實(shí)現(xiàn)安全、長(zhǎng)距離、可實(shí)用化的量子通信是該領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)和國(guó)際學(xué)術(shù)界幾十年來(lái)奮斗的共同目標(biāo)。”潘建偉說(shuō)。

他說(shuō)，利用外太空幾乎真空因而光信號(hào)損耗非常小的特點(diǎn)，通過(guò)衛(wèi)星的輔助可以大大擴(kuò)展量子通信距離。同時(shí)，由于衛(wèi)星具有方便覆蓋整個(gè)地球的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是在全球尺度上實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離實(shí)用化量子密碼和量子隱形傳態(tài)最有希望的途徑。從21世紀(jì)初以來(lái)，該方向已成為國(guó)際學(xué)術(shù)界激烈角逐的焦點(diǎn)。

量子通信在國(guó)防、軍事、金融等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。有專家預(yù)測(cè)，量子通信技術(shù)可能在20～30年后對(duì)人類(lèi)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生難以估量的影響。量子通信因其傳輸高效和絕對(duì)安全等特點(diǎn)，被認(rèn)為是下一代通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的支撐性研究，也已成為全球物理學(xué)研究的前沿與焦點(diǎn)領(lǐng)域。