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跨越 4600 公里成功分发量子密钥,永不担心被破解的加密方式真的存在? | 爱范儿

1000 年前,如果我们在广东,想给在北京的家人寄一封家书,一个来回可能需要一年半载。

100 年前,我们可以发电报,用时可能需要几天,按字符收费。

10 年前,我们可以打电话,接通仅需几秒钟。

现在,我们可以直接视频通话,延迟可控制在毫秒级别。

▲ 5G 进一步降低了通信延迟. 图片来自:苹果官网

信息传递的载体,从人力,逐渐发展到电波、电话线和光纤,信息迟滞越来越小,但是光的最高速度为 299792458 m/s,如果距离够远,还是会存在可明显感知的延迟。

有没有更快的信息传播方法呢?

理论上有,那就是量子通信。但目前的技术显示很难实现,所以科学家把目光投在了「量子加密」上。

中国科学技术大学 1 月 7 日宣布,中国科研团队成功实现了跨越 4600 公里的星地量子密钥分发,标志着我国已构建出「天地一体化广域量子通信网」雏形,该成果已在英国《自然》杂志上刊发。

量子是什么?

理论上的量子通信,就是利用了量子的几大神秘特性来实现的:

  1. 量子纠缠
  2. 不可分割
  3. 不可克隆

理论证明,两个相互纠缠的量子即使隔着宇宙级的距离,其中一个量子发生了变化,另一个也会同步发生变化,打破「光速牢笼」,实现真正的实时通信。

请注意,我们在量子通信前加了一个定语,叫「理论上」,这是因为量子通信还有有待攻破的难点,更有很多人认为量子通信不可能实现,前文说的「天地一体化广域量子通信网」,其实原理是利用量子的不可分割及不可克隆性质,提高通信的保密程度,并不是真正意义上的完美量子通信

4600 公里传输距离如何实现?

论文显示,「天地一体化广域量子通信网」主要由三部分组成。

  1. 一颗「墨子号」量子卫星
  2. 七百多个光纤量子密钥分发链路
  3. 两个地面实验站

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▲ 天地一体化广域量子通信网. 图片来自:中国科学技术大学

通信网在北京、济南、合肥和上海分别部署了共 4 个关键的队列管理器,再由一条超过 2000 公里的主干光纤链路和两条连接兴隆和南山的「地-星链路(相隔 2600 公里)」连接。

工作时,「墨子号」卫星沿太阳同步轨道运转,高度约 500 公里,连接到兴隆和南山的地面站,进行量子密钥分配。最后经过高效的 BB84 协议后处理程序,提取出最终的安全密钥。(BB84 协议是世界上第一个量子密码协议,由量子物理学家查尔斯·贝内特和吉尔·布拉萨德于 1984 年联合开发的一种量子密钥分配方案)

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▲ 量子通信卫星与地面站实验示意图. 图片来自:中国科学技术大学

目前,研究人员可以获得每周大约 36Mbit 的总密钥大小,通过「墨子号」生成的密钥可支持大约 6000 个用户。

此次尝试难点有哪些?

量子实在是太小了,一次呼吸、一个电灯泡发出的光,一个简单的动作,都能带动亿万个量子,而单个量子又存在不确定性,想要完全「掌控」量子不是那么容易的,因此跨越 4600 公里的星地量子密钥分发有很多技术性难点。

1. 单个光子制备

发表「天地一体化广域量子通信网」论文的潘建伟院士潘建伟说,一个 15 瓦左右的灯泡每秒钟辐射出的光量子个数可达十万亿亿个,想要实现单个光量子的制备就如同在这十万亿亿个光量子发射出来的瞬间捕捉到其中的某一个。

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▲ 电影《蚁人》用艺术手法展示了微观世界的场景. 图片来自:《蚁人》

2. 单光子的探测

单个光子已经是光能量的最小单元,能量是非常微弱的,需要发展出非常精密和高效的单光子探测技术。具备了单个光量子的制备和探测能力后,才能够实现安全的量子通信。

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▲ 2016 年 11 月 26 日拍摄的 “墨子号” 量子科学实验卫星与兴隆量子通信地面站建立天地链路. 图片来自:中国科学技术大学

3. 星地通信好比万米高空投硬币

「墨子号」卫星常务副总设计师王建宇举例说,「要从 1000 千米的高度把一个个光子发射到地面站,就好比在万米高空高速飞行的飞机上,同时向地面两个旋转的投币口细长的储蓄罐扔进一个个硬币。储蓄罐的投币口是细长的,相当于光的偏振,它是有方向的,硬币要把方向对好才能扔进去,而且不是扔一个,要两边同时都扔准才行。」

4. 地面探测难度远超千里眼

根据计算,一根火柴划一下大概有 1017 个光子,而卫星地面站的探测能力,相当于在地球上的人要发现在月亮上有人划了一根火柴。此外,还要在每秒一亿个光子里面,搞明白地面探测到的是第几个光子,这些光子都是排好队的,探测一个就要知道它是第几个,这样才能用来做密钥。

备注:以上技术难点来源为央视新闻。

论保密,量子加密最可靠

有人看完可能会有疑问,信息还是依靠卫星和光纤传输,和量子通信有什么关系呢?

先来说说发微信。我们用手机发送微信时,所有信息都要用算法加密后才进行传输,否则信息容易被截获查看。

但是,所有的加密算法理论上都是可以被破解的,还是会有信息泄露的风险。比如商业机密、军事信息等,为了保证更高的安全性,加密算法比一般信息的传输更为复杂。

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▲ RSA 加密解密过程图解. 图片来自:百度百科

有没有万无一失的加密方法呢?科学家想到可以利用量子密钥对信息进行加密。

量子密钥分配利用「单量子不可克隆定理」来实现密钥配送的绝对安全。「不可克隆定理」是指对任意一个未知的量子态进行完全相同的复制的过程是不可实现的,因为复制的前提是测量,而测量一般会改变该量子的状态。

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▲ 量子纠缠示意图,两个纠缠的量子,其中一个量子的状态发生变化,另一个也会同步出现变化. 图片来自:ScienceNews

中国科学技术大学表示,量子密钥由于作为信息载体的单光子不可分割、量子状态不可克隆,进而能保证用其加密的内容不可破译。量子密钥分发是迄今为止唯一被严格证明是原理上无条件安全的通信方式。

打个不太准确的比方,经过量子密钥加密的信息就像一个特殊的信封,只要截获信封的人想打开它,里面的信件就会自动消失,截获行为变得毫无意义。

这次登上《自然》杂志的「实现了跨越 4600 公里的天地一体化广域量子通信网」,用通俗的话语理解,是给传统通信方式加上量子密钥。

据悉,量子保密通信技术已经为纪念抗战胜利 70 周年阅兵、十九大等国家重要会议和活动提供了信息安全保障。此外银行业监管信息报送、人民币跨境收付信息管理系统、网上银行数据异地灾备系统等都应用了量子保密通信技术。

量子通信的未来

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▲ 图片来自:ScienceNews

2016 年,美国网络安全技术供应商赛门铁克曝出,一个名为「神行客(Strider)」的黑客小组过去 5 年间对中国、俄罗斯等国展开网络攻击,该黑客小组技术手段先进,赛门铁克怀疑该小组有国家背景的团队支援。

实际上,这只是黑客攻击的冰山一角,攻击每时每刻都在发生,防不胜防,「天地一体化广域量子通信网」和 2000 公里量子保密通信干线就是在这样的背景下诞生的,成为了信息安全的「长城」。

很多人看到了量子通信网发挥的巨大作用,应该会不禁发问:目前以光纤为主干的通信网络是否会被很快取代?

潘建伟院士在接受《科技日报》采访中表示,量子加密通信并不是要颠覆或者取代现有的通信方式,反而是可以大幅提升现有系统的安全性

看来,真正的量子通信,还有很长的路要走。

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