解密量子通信衛星:究竟要幹啥?

2020-12-05 OFweek光通訊網

  作為中國最年輕的院士,潘建偉還有一個身份是全國政協委員,在兩會期間,他被記者問到最多的東西,當然就是量子通信和量子計算機。雖然量子計算機現在還沒有什麼好談,但量子衛星馬上就要上天了。

  在接受採訪時,潘建偉透露,我國研製的世界首顆量子通信衛星有望在今年7月發射,相應地,量子保密通信「京滬幹線」,也將在今年下半年全線開通。

  這意味著一個『天地一體化』的量子通信網絡將初步形成,也意味著自上世紀80年代起,至今歷經30多年的量子信息研究,終於走向實用。這種衛星和地面之間的量子通信,在全球範圍也將是首次實現。

  潘建偉說,在不久的將來,量子通信就能進入千家萬戶。希望通過十年左右的努力,將來每個人在網際網路上進行的轉款、支付等消費行為,都能夠享受到量子通信的安全保障。

  很多人看到這裡,也就很明白了,就是說中國科學家很厲害,總是能搞出大新聞。但是關於量子通信究竟是什麼東西,有沒有這麼牛,是不是存在什麼問題,就沒有多少人關心了。

  不過我們還是要多說幾句。夢想總是要回歸現實,人不可能總是活在大新聞裡面。

  首先要明確的一點,就是量子通信其實不是通信。

  雖然中國現在的量子通信手段、技術乃至產業化進程已經走在世界前列,但是不管是中國科學家還是國外同行所言的量子通信,並不是傳統意義上的對數據進行直接通信,而主要是給傳統的數據通信加上量子密鑰。

  說白了,就是用量子密鑰替代目前的公鑰加密技術,上周公布的2015年度圖靈獎,就是頒給了發明公鑰加密技術的兩位美國科學家。

  公鑰加密技術,簡單的說,就是拿兩個很大的質數A和B進行乘積,然後把這個乘積作為公鑰進行加密,然後用質數A或B進行解密。雖然得到A和B的乘積很容易,但是要直接從這個乘積分解成兩個質數,就非常非常難。

  但是隨著計算能力的不斷提高,尤其是基於量子計算機的shor算法的出現,讓基於大數因子分解的公鑰加密技術,變得越來越脆弱。

  這就是為什麼,在通信技術如此發達的今天,各國間涉及政治外交、軍事安全的大部分機密信件和物品,仍然通過最傳統的方式——外交信使來傳遞。即便是再高級的保密通信,只要是通過當前的電話線、無線電、光纖等手段,都會面臨被破譯和竊聽的可能。

  這時候,就需要量子密鑰發揮作用了。這種方法,是上世紀90年代美國IBM公司沃森實驗室的查爾斯·本內特等人提出來的,由A向B發射一系列不同偏振態的光子,B對其進行隨機測量,然後選取符合A要求的測量結果作為密碼。在驗證密碼的過程中,如果存在竊聽行為,可以從測量結果的錯誤率中發現。

  實際上,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數,然後用這個隨機數來加密。

  本內特等人在IBM成功研製出世界上第一臺量子密鑰分發的原型樣機,但是它的工作距離僅為32釐米。此後,各國的科學家,逐步將量子密碼在光纖中傳輸的距離推進到幾十甚至上百公裡,並嘗試在自由空間中進行傳遞並取得成功。

  理論上,量子密鑰分發克服了經典加密技術內在的安全隱患,是迄今為止惟一被嚴格證明是無條件安全的通信方式。

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