量子通信將帶來更安全的互聯網

文／張文卓

量子通信是量子信息科學技術的一個分支。如同在傳統信息技術發展中，電磁波通信要早于計算機的出現一樣。在量子信息學的發展中，量子通信也作為排頭兵走在了最前面，成為了量子信息科技最先的突破點和產業化方向。

量子通信不應該簡單地從字面理解為用量子來通信，它的真實含義更廣泛，是利用量子力學原理對量子態進行操控，在兩個地點之間進行信息交互，可以完成經典通信所不能完成的任務。

量子通信按照應用場景和所傳輸的比特類型可分為量子密鑰分發和量子比特傳輸兩個方向。其中量子密鑰分發可以通過對量子態的傳輸和測量，為經典比特傳輸（即我們最常用的數字通信）建立牢不可破的量子密碼加密，是為經典信息做加密服務的量子通信。目前以量子密鑰分發為基礎的量子加密通信已經步入產業化階段，開始保護我們的信息安全。量子比特傳輸利用量子糾纏來傳輸量子比特，是服務量子計算機終端的量子通信，將應用于未來量子計算之間的量子互聯網。

量子密鑰分發是可能在短期內給我們帶來更安全互聯網的量子加密通信的核心技術。目前產業化的量子密鑰分發是由美國物理學家本內特和加拿大密碼學家布拉薩德在1984年提出的BB84協議。該協議利用對微觀粒子量子態的測量會產生隨機結果的量子力學原理，在收發兩端生成完全相同的隨機的二進制密鑰，是一種私鑰體系。同時量子力學中的量子不可分割原理和不可克隆定理，保證了該密鑰在分發過程中不會被任何第三方無感知地截獲，也就是說，即便被竊聽，也會被通信的兩端馬上發現，只需丟棄被竊聽部分的密鑰，剩余的密鑰只有收發兩端可以知道，可以真正做到“天不知地不知，只有你知我知”。

因此，量子密鑰屬于私鑰體系，其作用可與部隊的機要部門通過人工遞送密鑰做類比。但人工遞送密鑰的管理成本極高，密鑰更新慢，并且傳遞和存儲的各環節都容易泄密。而量子密鑰可以做到實時更新和傳遞，陳舊密鑰及時銷毀，幾乎不存在泄密的可能，因此可以認為是密碼學里最安全的私鑰體系。

量子密鑰分發生成的密鑰是一組真隨機的二進制數，可自由選擇任意長度，靈活用于不同長度的二進制信息的加密。由于密鑰本身隨機，用最簡單的算法（如異或）加密就能實現無法破解的密文，幾乎不耗費任何計算資源。根據信息論，這種隨機的密鑰通過“一次一密”的加密方式可以抵抗任何算法的破解，包括量子計算算法，達到信息論意義上的“無條件安全性”。因此量子密鑰分發從根本上保證了信息傳輸過程的安全性。這就是“量子加密通信”。

量子加密通信一經提出，就獲得了廣泛關注，經過三十多年的理論發展和實驗不斷驗證，世界上很多國家都相繼建成了使用BB84協議的量子密鑰分發網絡，以及在此基礎上運行量子加密通信。這其中以中國的量子加密通信“京滬干線”為跨度最長（2000余公里），節點最多，最先投入使用。

2017年，中國科學技術大學潘建偉院士團隊領銜的“墨子號”量子科學實驗衛星已經完成了人類歷史上首個星地量子密鑰分發實驗，采用的是加入誘騙態的BB84協議，成碼率達到每秒5千比特，驗證了星地量子通信的可行性，為建立全球化量子加密通訊網絡奠定了技術基礎。

量子科學實驗衛星和量子保密通信“京滬干線”等大科學工程和應用示范項目，讓中國在量子通信領域從基礎科研到應用化和產業化都做到了世界第一。

未來量子加密通信將以產業化為主要目標，從地面和空間雙管齊下，通過小型量子通信衛星、光纖網絡組成天地一體化的量子通信網絡，為更安全的量子加密互聯網奠定基礎。