飛行的“量子號”

喬 喻

飛行的“量子號”

喬 喻

2016年8月，我國發(fā)射了一顆“墨子號”衛(wèi)星，引來眾多關(guān)注。這是一顆什么衛(wèi)星呢？

失靈的老密碼

特殊的通信需要保密，保密則需要密碼鑰匙。

傳統(tǒng)的密碼鑰匙就是信息的加密方式，因?yàn)樗驮蹅冮_門用的鑰匙有相似功能，所以被稱為密碼鑰匙。打個(gè)比方：甲想向乙傳輸1-2-3這段信息，先按照將每個(gè)數(shù)字都加3的方式向乙傳輸4-5-6，1-2-3就叫明文，4-5-6就叫密文，而每個(gè)數(shù)字都加3就是密碼鑰匙。發(fā)送者可用密碼鑰匙加密信息，接收者可用它來解密。

間諜獲得密碼鑰匙的方法很多，現(xiàn)在主要利用計(jì)算機(jī)獲取密碼鑰匙，就是利用計(jì)算機(jī)的超強(qiáng)信息處理功能，尋找密文信息的變化規(guī)律，規(guī)律就是加密方式。有了計(jì)算機(jī)這種機(jī)器助手來幫助破解密碼，幾乎是沒有破解不了的密碼鑰匙。比如1977年，數(shù)學(xué)家李維斯特給出了一個(gè)129位數(shù)，要求把這個(gè)數(shù)分解成兩個(gè)質(zhì)數(shù)的乘積，做出這個(gè)結(jié)果，就等于掌握了密碼鑰匙，就能發(fā)現(xiàn)隱藏的信息。當(dāng)時(shí)李維斯特信心滿滿地宣稱，算出他的密碼鑰匙需要幾億億億億億（好多億）年。誰知17年之后，600名密碼破譯愛好者動用了1 600臺計(jì)算機(jī)，用了6個(gè)月的時(shí)間把李維斯特的密碼破解了。

現(xiàn)在看來，利用計(jì)算機(jī)破解密碼終究會成功，所以說現(xiàn)在的信息安全只是某一段時(shí)間內(nèi)的相對安全，不是永久的安全。那么，有沒有永遠(yuǎn)不會被解密的通信方式呢？有呀，它就是利用量子衛(wèi)星開展的量子通信。傳統(tǒng)的密碼鑰匙存在巨大危機(jī)，量子衛(wèi)星擁有超強(qiáng)的不可破解的密碼鑰匙，是保密通信的重要保證。

量子密碼牢不可破

科學(xué)家在1900年發(fā)現(xiàn)了量子這種微粒，發(fā)現(xiàn)了量子糾纏現(xiàn)象：一對處于糾纏狀態(tài)的量子甲和乙，甲攜帶的信息，可以瞬間在乙身上體現(xiàn)出來。在量子通信狀態(tài)下，信息的傳輸端和接收端之間不用連接實(shí)線，也不需要電磁波，這種量子糾纏現(xiàn)象曾被愛因斯坦描述為：兩物之間，無論距離多遠(yuǎn)，都會存在相互感應(yīng)信息的天然魔力。沒有傳輸介質(zhì)，間諜想從“半路”截獲信息的可能性就不存在了。

最為關(guān)鍵的是，量子通信的加密速度極快，它可以給數(shù)之不盡的每一個(gè)信息片段各加有一個(gè)獨(dú)立的密碼鑰匙。舉個(gè)例子來說：如果把一次通話分割成一百億個(gè)信息片段來傳輸，則量子通信可以瞬間給這一百億個(gè)信息片段上各加上各自的密碼鑰匙，這種加密方式被形象地稱為“一次一密”。你可以想象，在通信過程中，信息源源不斷，加密碼鑰匙源源不斷，千變?nèi)f化，間諜要破解這么多的密碼鑰匙，簡直是招架之功還手之力全無呀。一次一密帶來了天量密碼鑰匙，讓密碼間諜從此失去了飯碗。而前面提到的“墨子號”，就是一顆量子衛(wèi)星“一次一密”的制造者，它是信息間諜的克星。

如果硬要一臺計(jì)算機(jī)來破解量子衛(wèi)星產(chǎn)生的通信密碼，理論上也是可以的，但時(shí)間需要數(shù)億年，甚至是無限久。誰等密碼能等得起呢？

你看，量子通信時(shí)代，某些間諜也要失業(yè)了。

量子衛(wèi)星中國獨(dú)有

甲量子向乙量子傳送信息，理論上它們之間的距離可以無限遠(yuǎn)，但無論間隔多遠(yuǎn)，信息都能傳輸給乙。可是，事實(shí)上在地球表面，量子的能量會衰減，衰減雖然不影響信息傳遞，卻會影響對信息的辨別。你想想，甲雖然最終是把信息傳遞給了乙，但信號太弱，弱到目前我們無法辨識，不也是無用嗎！

量子之間信息傳輸距離是無限的，多遠(yuǎn)都能傳到，但量子之間保持信息可辨認(rèn)的傳輸距離卻是有限的，太遠(yuǎn)了，它們之間有“對話”，但咱們聽不清楚。在提高量子通信實(shí)用傳輸距離的科研道路上，中國始終走在前面：2010年6月6日，中國量子通信實(shí)驗(yàn)小組將信息傳輸了16千米的距離，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)量子通信的新紀(jì)錄。

量子通信可達(dá)16千米，仍舊不能滿足實(shí)用要求。于是在16千米的基礎(chǔ)上，科學(xué)家繼續(xù)努力，要讓量子通信的距離越來越遠(yuǎn)，可這個(gè)期望后來“破滅”了，因?yàn)榭茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)在自由環(huán)境中，量子通信距離存在一個(gè)極限，是100千米左右。100千米的傳輸距離雖然具有實(shí)用價(jià)值，但是要建設(shè)量子通信網(wǎng)絡(luò)，需要在地面上每隔100千米建設(shè)大量的傳輸基站。眾多基站會降低量子通信的效率和安全性，因?yàn)樾盘栃枰粩嘣诿魑暮兔芪闹g多次轉(zhuǎn)換接力，每個(gè)基站容易出現(xiàn)信息安全漏洞，所以大量建設(shè)基站支持量子通信的方案被否決。

基站方案被否決之后，科學(xué)家就把建設(shè)量子通信網(wǎng)絡(luò)的厚望寄托到量子通信衛(wèi)星身上。量子衛(wèi)星可以把量子信息傳輸?shù)木嚯x擴(kuò)大到數(shù)千千米，3顆量子衛(wèi)星就能滿足在全球建立信號優(yōu)良、安全無憂的量子信息通信網(wǎng)絡(luò)，讓信息高速安全地直達(dá)任意地方，所以說發(fā)射量子衛(wèi)星是量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，誰擁有了量子衛(wèi)星傳輸技術(shù)，誰就掌握了全球量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主動權(quán)。

大家注意嘍，中國發(fā)射的“墨子號”是全世界第一顆量子通信衛(wèi)星，別家沒有喲。墨子是我國古代偉大的科學(xué)家，被稱為“科圣”，他最早提出光線沿直線傳播的理論，設(shè)計(jì)了小孔成像實(shí)驗(yàn)，奠定了光通信、量子通信的基礎(chǔ)。用中國古代偉大科學(xué)家的名字命名量子衛(wèi)星，為的是提升我們的文化自信。量子衛(wèi)星的成功發(fā)射，標(biāo)志著中國將成為量子通信界的先鋒，在以后量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)程中，中國將擁有不可忽視的話語權(quán)和支配權(quán)。