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我國首次實現量子密鑰分發 量子通信時代或不遠?

我國首次實現量子密鑰分發 量子通信時代或不遠?

出品:科普

製作:科學技術大學 郭光燦 科普博覽

監製:科學院計算機網路信息中心

科學院日前召開新聞發布會,宣布量子科學實驗衛星「墨子號」在國際上首次成功實現從衛星到地面的量子密鑰分發和從地面到衛星的量子隱形傳態,兩項成果於8月10日同時在線發表在國際權威學術期刊《自然》雜誌上。

至此,「墨子號」提前圓滿實現全部三大既定科學目標,為在未來繼續引領世界量子通信技術發展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學與技術基礎。

量子號科學實驗任務(來源網路)

我們知道量子衛星有三大任務:通過量子衛星實現衛星和地面的量子密鑰分發,從而實現廣域的量子保密通信;對量子力學本身的基本原理進行檢驗的實驗任務;連接和奧地利之間的量子通信網,以證明全球規模的量子通信網路設想是可行的。

我們知道量子通信作為迄今為止唯一被嚴格證明是無條件安全的通信方式,在金融、軍事和政務等領域的應用前景得到了世界各國的廣泛關注,那麼這種保密措施通過何種方式實現?本次達成的量子密鑰分發成就與量子通信又有什麼關係?

量子密鑰分發是什麼?

保密通信是密碼學的重要內容,其基本原理是採用密鑰 (0,1的隨機數列)通過加密演算法將甲方要發送的信息(明文)變換成密文,在公開通道上發送到合法用戶乙方處,乙方採用密鑰從密文中提取所要的明文。

量子密碼(圖片來源於網路)

如果甲乙雙方採用相同的密鑰(即)則稱為對稱密碼或私密密碼。如果相反,則稱為非對稱密碼或公開密碼,其中公開密鑰只為乙方私人擁有。如果任何竊聽者在不知曉密鑰卻可以從秘文提取出明文,則這種密碼體系是不安全的。

密鑰使用流程(來源網路)

那麼有沒有令所有專家都無法破解的密碼?有!

早在上世紀四十年代,著名的資訊理論鼻祖香農採用資訊理論嚴格證明,如果密鑰長度與明文長度一樣長,而且用過後不再重複使用,則這種密文是絕對無法破譯的,俗稱為「一次一密」。

那麼為何這種「一次一密」的密碼未被推廣使用呢?原來 「一次一密」要大量消耗「密鑰」,需要甲乙雙方不斷地更新密碼本,而「密碼本」的傳送(稱為「密鑰分發」)本質上是不安全的。採用不安全的密鑰來實施「一次一密」加密仍然是不安全的。

那麼是否有什麼辦法可以確保密鑰分發是安全的?

有,這就是「量子密鑰分發」(縮寫為「QKD」)!

量子密鑰分發的優勢

「量子密鑰分發」應用到量子力學的基本特性(如量子不可克隆性,量子不確定性等)來確保任何企圖竊取傳送中的密鑰都會被合法用戶所發現,這是QKD比傳統密鑰分發所具有的獨特優勢,後者原則上難於判斷手頭的密碼本是否已被竊聽者複製過。

QKD的另一個優點是無需保存「密碼本」,只是在甲乙雙方需要實施保密通信時,實時地進行量子密鑰分發,然後使用這個被確認是安全的密鑰實現「一次一密」的經典保密通信,這樣可避開保存密碼本的安全隱患。

量子密鑰分發的過程

量子密鑰分發的過程大致如下:單個光子通常作為偏振或相位自由度的量子比特,可以把欲傳遞的0,1隨機數編碼到這個量子疊加態上,比如,事先約定,光子的圓偏振代表1,線偏振代表0。光源發出一個光子,甲方隨機地將每個光子分別製備成圓偏振態或線偏振態,然後發給合法用戶乙方,乙方接收到光子,為確認它的偏振態(即0或1),便隨機地採用圓偏光或線偏光的檢偏器測量。

如果檢偏器的類型恰好與被測的光子偏振態一致,則測出的隨機數與甲所編碼的隨機數必然相同,否則,乙所測得的隨機數就可能與甲方發射的不同。乙方把甲方發射來的光子逐一測量,記錄下測量的結果。然後乙方經由公開通道告訴甲方他所採用的檢偏器類型。

這時甲方便能知道乙方檢測時哪些光子被正確地檢測,哪些未被正確地檢測,可能出錯,於是他告訴乙方僅留下正確檢測的結果作為密鑰,這樣雙方就擁有完全一致的0,1隨機數序列。

量子密鑰分發圖示(來源網路)

如果有竊聽者在此過程中企圖騙取這個密鑰,他有兩種策略:一是將甲發來的量子比特克隆后發給乙方。但量子不可克隆性確保竊聽者無法克隆出正確的量子比特序列,因而也無法獲得最終的密鑰。

另一種是竊聽者隨機地選擇檢偏器,測量每個量子比特所編碼的隨機數,然後將測量后的量子比特冒充甲方的量子比特發送給乙方。按照量子力學的假定,測量必然會幹擾量子態,因此這個「冒充」的量子比特與原始的量子比特可能不一樣,這將導致甲乙雙方最終形成的隨機數序列出現誤差,他們經由隨機比對,只要發現誤碼率異常地高,便知有竊聽者存在。

量子密鑰分發和量子通信的關係

上述的保密通信,實質上是「一次一密」的經典通信,只是密鑰是由QKD生成的,通常也稱為量子保密通信。

量子密碼是量子通信嗎?答案是否定的!

所謂「通信」簡單地說就是傳遞信息(即「明文」)。量子密碼只是傳送經典隨機數而已,不包含有任何信息內容,因此,與「通信」無關。量子保密通信實際上包括由QKD生成的安全密碼和「一次一密」經典通信兩個部分,本質上仍然是經典通信。

真正的「量子通信」有其確切的內涵,即將信息編碼在量子比特上,在量子通道上將量子比特從甲方傳給乙方,直接實現信息的傳遞。那麼這種真正的「量子通信」離我們究竟還有多遠?

開啟量子通信新時代

隨著量子衛星的發射升空和下半年「京滬幹線」的完工,的廣域量子通信體系為率先建成全球化的量子通信衛星網路奠定了基礎,「天地一體化」的量子通信網路即將鋪就,歷經30餘年的量子信息研究也將步入深化應用的時代。也許就在不遠的將來,量子通信技術將如同手機、電腦一般,走入尋常百姓家。

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