量子通信是什么?

作者:顾新书来源:蝌蚪五线谱发布时间:2016-08-16

2016年8月16日凌晨1时40分,在一片震耳欲聋的轰鸣声中,一架长征二号丁运载火箭正喷出闪亮的火舌,从酒泉卫星发射中心的发射塔架上一飞冲天。

  这意味着由我国科学家自主研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心成功发射,除了用这枚卫星进行一些科学实验外,还将在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信。这也将是跨度最大、史上最安全的通信网络。

  提到“量子”一词,大多数人想到的可能是玄之又玄的量子物理,以及爱因斯坦那句著名的“上帝不掷骰子”的断言。在我们的过往印象中,量子物理经常与“不确定性”、“测不准”等词汇联系在一起,然而我们又知道,通信最重要的就是稳定、安全、可靠。那么,量子与通信,表面上互相矛盾的两个东西是如何联系到一起的呢?要了解这一点,我们还是先从传统通信为什么需要“量子”说起吧。

传统通信的局限性

  众所周知,密码这东西现在已经充斥了我们的生活。像网购转账、登陆微信,甚至在我们看不见的信息传输途中,都需要用到密码,因为它能保证通信和交易的安全。不过,有了加密,就有破解密码的人,这对死敌的角力始终贯穿在我们整个通信的历史中。尤其在战争年代,解密的成功与否甚至足以影响最终的战局。在二战期间,美军正是因为破解了日军电报的加密方式,从而掌握日军高层的行踪,最终成功击杀了其海军总司令山本五十六,为太平洋战争的获胜奠定了基础。除此之外,直接窃听和截获信息也是很常见的泄密方式。如电影《窃听风云》讲述的正是通过窃听他人通信而发生的一系列故事。

  人们一直在想,是否存在一种安全传输信息的方法呢?我们可以总结一下,“使通信保密”的思路其实有两种。一种是物理加密,比如在A和B之间拉一条专线,专线中间布满岗哨,任何想截获信息的间谍必须在光缆上做手脚才能窃听,而这必然会被哨兵拿下。在这种确保安全的信道中,我们甚至无需对信息加密,直接用明文交换信息就可以了。但是,用物理隔离的方法终究不现实,它的效率低,成本高,距离有限,只有少数重要且有条件的岗位才用得起这种方式。

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  另一种是信息加密,就是把封装信息加上密码后通过公共信道传递,这相当于把它放在一个带锁的小箱子里进行运输,沿途就算被人截留了也没关系,因为只有对面拿到钥匙的人才能打开箱子,从而获取信息,这种做法就是我们目前常用的传统加密方式。

  只是现有的密码体系还是通过增加计算复杂性来保证安全。例如应用最广泛的密码算法RSA,用的是两个非常大的质数的乘积来建立密钥。众所周知,对于两个大质数乘积进行因式分解,除暴力穷举外并无更好的方式。资料显示,用现有最快的传统计算机对一个500位的RSA密钥进行穷举破解,耗时将达到百亿年——几乎等于不可破解。

  但从理论上讲,只要有足够先进的计算机,任何有限长度的密码都可以被破译。随着计算机技术更新迭代,接下来可能出现更快更强的计算机,比如研发中的量子计算机等。在那时候,如果无法升级出对应的加密方式,那么原有的密码将不再安全,金融系统和个人隐私等领域都将彻底陷入混乱。

  面对未来可能出现的困境,人们需要找出新的加密手段。此时,量子物理的发展为人们带来了新的思路。

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