量子通信,中國遙遙領先

量子通信,中國遙遙領先

2019-05-01 17:00:48  大科技·科學之謎

發表時間:2019-05-01 17:00:48來源:大科技·科學之謎字體大小:A+  A-

中國彎道超車

2019年年初,在世界最大的綜合性科學組織——美國科學促進會的年會上,中國科學技術大學潘建偉教授領銜的“墨子號”量子科學實驗衛星團隊被授予克利夫蘭獎。這是美國科學促進會設立該獎項九十余年來,首次將該獎項授予中國本土的科學家團隊。2017年6月16日,墨子號成功實現兩個量子糾纏光子被分發到相距超過1200千米的距離后,仍可繼續保持其量子糾纏狀態的實驗,為推動大尺度量子通信實驗研究做出了卓越貢獻。

美國《科學》雜志主編杰瑞·米伯格表示:“中國的量子通信研究是一項包含了從基礎物理學到衛星技術等在內的科技成果,近些年中國在科學領域所取得的進展讓我感到非常震撼。”

量子通信事關國家的信息和國防安全,這個戰略性領域已經成為發達國家優先發展的信息科技和產業高地。美國對量子通信的理論和實驗研究開始較早,并最先將其列入國家戰略。歐盟和日本也都各自制定了量子信息技術長期發展路線圖。

雖然在全球量子通信競賽中,中國起步并非最早,但是在科學家們的不懈努力下,目前中國在量子通信領域已經實現了“彎道超車”,引領世界潮流。潘建偉團隊在2007年首次實現安全通信距離超過100千米的光纖量子密鑰分發,2016年中國發射全球首顆量子科學實驗衛星——墨子號;

2017年,中國和奧地利科學家在北京和維也納兩地進行了世界首次洲際量子保密通信,以此進行了視頻通話。同年,世界首條量子保密通信干線——“京滬干線”正式開通……潘建偉表示,希望到2030年左右,能建成全球化的廣域量子通信網絡,并在量子計算領域有所作為。

當代的“密碼危機”

其實,“量子通信”這個詞起得不好,很容易讓人誤解。首先,這世界上還沒有量子通信,嚴格來說應該是:“量子加密通信”,它解決的是通信加密問題;其次,在通信加密領域,量子通信是一個有益補充,而不是對原有加密方法的顛覆。

今天每個普通人都離不開密碼。當你在網上購物,當你用手機通話或收發微信,所有信息都在開放的網絡上傳輸,很容易被黑客截獲。據估計,每天全世界生產總值一半以上的金融交易都在網上進行,如果失去可靠的密碼技術保護,必將引起世界級的金融災難!

現代化的軍隊也比過去更依賴于密碼技術。如果遙測遙控的信息被盜,敵方可以隱藏保護自己,或者可以改變導彈的軌跡,甚至操縱無人機據為己有。事實上對今日的攻擊方而言,使用導彈和飛機已是多余,如果能破解對方的密碼系統,發個命令就可以秒殺對方城市的供電、公交和通訊系統,真正達到不戰而屈人之兵。

當然,當前的信息加密方法已經非常成熟,安全性已經可以達到我們所要求的任意強度,但始終有一柄達摩克利斯之劍懸在我們頭上,那就是安全依靠的是計算的復雜性,永遠不能排除被破解的可能,這就是當代的“密碼危機”。我們不妨來看一個例子,領略一下“密碼危機”是怎么回事。

目前世界上最常用的密碼系統叫RSA。此密碼系統基于這樣一個巧妙思想:有些事正向操作很容易,逆向操作卻非常難。例如13×17=221,這很容易吧,但把221分解成兩個質因數的乘積13×17,就不那么容易了。合數的因數分解在數學上屬于易守難攻的問題。而要破解RSA密碼,就相當于對一個給定的合數做因數分解。

如果你數學好,覺得分解221也不難,那不妨試試這個數

267-1=147,573,952,589,676,412,927。這是個18位數。很長時間里,人們以為它是一個質數。直到1903年,人們才發現它是一個合數,等于193,707,721×761,838,257,287。

數學上分解一個數N,最容易想到的算法,是從2開始往上,一個一個地試驗能否整除N,一直到N的平方根為止。如果N用二進制表示是個n位數,即N約等于2的n2次方,那么嘗試的次數大約就是2。位數n出現在指數上,這是非常糟糕的,因為指數式增長是一種極快的增長。比如說,2的n2次方比n10000增長還快。

當然,你可以尋找效率更高的算法。對于因數分解,“從2開始一個一個試”并不是最聰明的算法,目前最好的算法叫做數域篩選。但即使做了這樣的改進,計算量仍然是指數式增長。如果以目前世界上最快的計算機之一——我國“天河二號”的運算速度,分解一個300位的數字需要15萬年,分解一個5000位的數字需要50億年!

按理說, RSA密碼系統已非常安全,但人無近憂也要有遠慮:現在有實力的國家都在傾全力研究量子計算機,量子計算機的速度不是今日的電腦所能企及的。已經有人提出一種因數分解的量子算法,一旦有了量子計算機,根據這種算法,原先需要50億年的運算量,2分鐘內就能完成。到那時,RSA密碼系統就形同虛設了。

有沒有一種不可破譯的保密方式,能讓傳送的信息絕對安全可靠?近些年來,量子通信技術的飛躍發展正讓夢想成為現實。

永遠無法偷竊的密鑰

量子是物理世界里最小的、不可分割的基本單元,是能量的最基本攜帶者。比如,日常生活中的光,就由大量光量子組成,其他還有電子、介子等基本粒子。“量子化”指其物理量的數值是離散的,而不是連續地任意取值。例如,光子就不存在半個光子、三分之一個、0.18個光子這樣的說法(而且,空間和時間也都存在最小的、不可分割的基本單元,因此,空間和時間也都是量子化的)。

量子(加密)通信分為兩種:一種是量子密鑰分發;另外一種是量子隱形傳態。它們的性質是完全不同的:量子密鑰分發只是利用量子的不可復制性以及測量的隨機性來生成量子密碼,給傳統的數字通信加密;而量子隱形傳態完全不同,它是利用量子糾纏直接傳送量子比特。

在現代社會,廣泛使用的保障信息安全的手段是現代密碼,現代密碼技術的理念是,一切秘密包含于密鑰之中,密鑰就是只有通信雙方才知道的秘密鑰匙,是指某個用來完成加密、解密、完整性驗證等密碼學應用的秘密信息。因此,保障密鑰的安全是用密碼技術保障通信安全的關鍵。

量子密鑰分發可以實現無條件安全的密鑰分發,這個無條件安全的意思是指,就算竊聽者有全宇宙最強的計算機,哪怕是量子計算機,也不能破解量子密鑰分發,竊取密鑰。這樣,使用量子密鑰分發技術可以保證通信加密無法被破譯,保證對方身份真實可靠,保證信息無法被篡改。

那么,量子密鑰分發是如何生成量子密碼來給傳統的通信加密的?我們首先從偏振態光子說起。

現階段的量子通信都用偏振態光子作為信息的載體。偏振是光學上的一個概念,意指光作為橫波,一方面往前傳播,另一方面在垂直于傳播的方向上做振動。

我們可以打個比方。比如,你把一根繩子固定在墻上的鉤子上。當繩子繃緊之后,你在另一端上下擺動它時,波動就會沿著繩子傳到鉤子的那一端。你擺動的方向跟波的傳播方向是垂直的。當然,你也可以橫向左右擺動,波照樣沿著繩子傳播,你擺動的方向也還是跟波的傳播方向垂直。你還可以以任意角度斜著擺動,你擺動的方向還是跟波的傳播方向垂直……每一種擺動方式,對應著繩子的一種偏振狀態。

量子通信,顧名思義就是利用量子的特性來傳送信息。那么,其中涉及哪些量子特性呢?

1、不確定性原理:根據量子力學,微觀世界中的量子可以同時處于各種可能性的狀態。這種量子態叫疊加態。而測量會迫使疊加態坍縮,量子選擇其中一種可能狀態呈現。坍縮意味著原來量子態的破壞,而且是不可逆的。所以當信息以量子為載體時,對量子態的每一次測量,都將改變它原來的狀態。

2、量子不可克隆原理:指對任意一個未知的量子態進行完全相同的復制(克隆)是不可實現的。這條原理實際上是不確定性原理的一個推論。因為要復制,首先就要測量(比如,你要復制一張桌子,得先測量它的長寬高),而測量后你不能保證量子態還保持原樣。

利用量子的這兩個特性,量子通信也就保證了安全。具體過程是這樣的:假設A發給B一個偏振態光子,對于A是已知的,對于B是未知的。C(竊聽者)想來看看A發的是什么偏振態,最直接的辦法就是先把這個光子截下來測量一下,但這又是行不通的,因為C截取測量了之后,A所發送的偏振態光子,其原始態就變化了,再也無法完美復制還原了。

B收到被竊聽的態,用了一個約定的測量方式(測量基)來測量,測完之后會有一個結果,然后再問A發的是什么,A告訴B,B一看,與自己測量的結果不一致,那就是有人竊聽了,我們分享的密鑰不安全了。于是,A和B終止發送信息,信息安全得到了保證。

在經典的通信中,一個竊聽者可以截取本來應該發給B 的信息,然后偽造完全相同的信息再發給B,這樣A和B就無法發覺有人在監聽。而在量子通信中,粒子的量子狀態的不可克隆性,保證了量子通信密碼的不可破解性。

當然,這種密鑰分發方式存在一個問題,那就是只能發現竊聽者,不能保證通信的穩定性。A和B雖然可以隨時察覺被竊聽,但是他們所能做的,也只能就是停止通信。如果竊聽者不停地竊聽,通信就被無限期擱置了。所以,業內對量子通信的爭議,很大一部分就在于此:“如果通信消失了,那么任何密碼技術都是多余的。”

但是,對于非常重要的絕密信息來說,通信的保密性要大于消息的穩定性。而且,在量子通信里,根據計算很容易找到竊聽點,然后派人去抓出竊聽者。通信密鑰分發的方式就是擁有隨時發現竊聽者的能力,給竊聽者以震懾,以此保衛自己的通信安全。

幽靈般的超距作用

現在,我們來說說量子通信的另外一種方式——“量子隱形傳態”。

如果說,量子密鑰分發只是量子力學應用于經典通信的一個小應用(加了把量子鎖),那量子隱形傳態就是“真正”的量子通信了。

解釋量子隱形傳態之前,我們必須先解釋兩個重要概念——“量子比特”和“量子糾纏”。

我們目前進行信息存儲和通信,使用的是經典比特。一個經典比特在特定時刻只有特定的狀態,要么0,要么1,所有的計算都按照經典的物理學規律進行。但量子比特和經典比特不同,量子信息扎根于量子物理學,一個量子比特就是0和1的疊加態。我們可以做一個比喻:經典比特是“開關”,只有開和關兩個狀態(0和1),而量子比特是“旋鈕”,就像收音機上調頻的旋鈕那樣,有無窮多個狀態。

量子糾纏也是量子疊加態的一種表現,是指兩個處在糾纏態的量子一旦分開,不論分開多遠,當其中一個狀態改變時,另一個狀態也會即刻發生相應改變。這兩個糾纏在一起的量子就好比是一對有心電感應的雙胞胎,愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”。

理解了量子糾纏,我們就可以理解“量子隱形傳態”了

量子隱形傳態是在什么時候實現的?

答案是1997年,當時潘建偉在奧地利因斯布魯克大學的塞林格教授組里讀博士,他們首次實現了單光子自旋態的傳輸,并基于這個實驗在《自然》上發表了論文《實驗量子隱形傳態》,潘建偉是第二作者。這篇文章后來入選了《自然》雜志的“百年物理學21篇經典論文”,跟它并列的包括倫琴發現X射線、愛因斯坦建立相對論、沃森和克里克發現DNA雙螺旋結構等。當然,量子隱形傳態的重要性不如那些神級成果,不過也已經相當了不起了。

潘建偉回到中國后,將量子通信的水平不斷提高,此后中國的量子通信的研究一直領先于世界。

潘建偉的研究能不能得諾貝爾獎?潘建偉主要搞的是技術,而諾貝爾獎更偏愛的是理論或實驗上的重大進展。互聯網的發明非常偉大,也很大的改變了我們的世界,也沒有獲得諾貝爾獎。不過,依靠純技術方面的應用獲得諾貝爾獎的先例也是有的,比如馬可尼就是依靠無線電報獲得了諾貝爾物理學獎,這樣的情況相對比較少。因此,如果量子通信有了更加廣泛的應用,潘建偉有很大可能獲得諾貝爾獎,我們對此充滿期待。

責編:微科普

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