量子通信是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通訊方式。量子通訊是近二十年發(fā)展起來的新型交叉學(xué)科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。2017年以來，在代表通信技術(shù)前沿陣地的量子通信領(lǐng)域，我國可謂是捷報頻傳：首先是今年3月量子通信京滬干線開始最后階段的貫通測試，其次是量子糾纏分發(fā)實現(xiàn)千公里量級的傳輸，再次是近日我國成功實現(xiàn)水下量子通信實驗。一個個里程碑進(jìn)展的獲得，代表我國不斷攻克量子通信的關(guān)鍵技術(shù)難題，將量子通信研究帶入了新時代。

業(yè)界普遍認(rèn)為，量子通信是當(dāng)前世界上最為先進(jìn)的保密通信技術(shù)，以量子通信為基礎(chǔ)，可以構(gòu)筑天地一體化、高速靈活、安全穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。這樣的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施不僅可以應(yīng)用于國防、軍事等國家級保密領(lǐng)域，還可以應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心、金融、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)等國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。

那么，以高安全著稱的量子通信出現(xiàn)的必要性何在?量子通信又如何確保通信信息的安全性?本文對上述問題進(jìn)行分析和說明。

傳統(tǒng)加密算法防護(hù)能力趨弱

近年來“斯諾登事件”的爆發(fā)給我國敲響了信息通信安全的警鐘，而“WannaCry”、“Petya”等勒索病毒的出現(xiàn)，則表明在互聯(lián)網(wǎng)前沿領(lǐng)域還存在很多不安全的地帶。因此，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)與信息通信安全保護(hù)、構(gòu)筑信息安全防護(hù)的長城，是我國信息通信領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急。

正所謂“道高一尺魔高一丈”，安全威脅和防控措施從來都是“矛和盾”的關(guān)系，因此安全防護(hù)不可能一勞永逸，而是需要根據(jù)新的形勢不斷自我提升，這就是量子通信出現(xiàn)的必要性。

目前業(yè)界使用最為廣泛的公鑰加密算法，為1977年由美國三位科學(xué)家提出的RSA129算法。該算法的原理是，將兩位質(zhì)數(shù)相乘獲得一個129位的數(shù)字，其中的兩個乘數(shù)就是隱藏在公鑰加密算法中的關(guān)鍵信息。這一加密算法的原理是：兩個質(zhì)數(shù)的乘積計算非常簡單，但是要把乘積進(jìn)行因式分解難度就特別大，而且數(shù)字越大，越難以破解。按照1977年的計算能力，破解129位的數(shù)字大約需要4億億年。

但是時隔17年后，破解加密算法的時間就縮減到了8個月左右。而現(xiàn)在量子計算出現(xiàn)后，計算速度和能力大大提升，使得破解RSA129加密算法的時間進(jìn)一步縮減到了幾十秒。

其根本原因在于，傳統(tǒng)的通信加密一般在加密數(shù)據(jù)和傳輸介質(zhì)上做文章，而這種加密方法只能增加破譯的難度，無論采用先進(jìn)算法破譯，還是采用超級計算機(jī)暴力破譯，破解傳統(tǒng)通信加密數(shù)據(jù)只是時間長短的問題。隨著計算能力的提升，破解時間越來越短，甚至達(dá)到秒級。

因此，采用全新信息安全技術(shù)提升安全防護(hù)能力已經(jīng)迫在眉睫。與量子計算如影隨形的另一項技術(shù)——量子通信進(jìn)入了人們視野。

量子力學(xué)三大原理確保信息傳輸安全可靠

在探討量子通信之前，首先看看量子是什么。量子是能表現(xiàn)出物理特性的最小單元，是能量的最基本攜帶者;一個物理量如果存在不可分割的最小基本單位，那么這個物理量是量子化的。而量子通信則是結(jié)合量子物理學(xué)和密碼學(xué)，利用量子態(tài)的物理性質(zhì)提供絕對安全保障的通信方式。

量子通信之所以安全有保證，主要是因為量子力學(xué)具有三大基本原理：測不準(zhǔn)原理、不可克隆原理、糾纏態(tài)原理。

測不準(zhǔn)原理，即海森堡不確定性原理。與粒子的位置和動量可以同時取確定值所不同的是，受粒子波動性的影響，兩個非對易的量子不可能同時被精確測量。測不準(zhǔn)原理，使得對任何量子傳輸進(jìn)行監(jiān)聽、監(jiān)測的目的都會落空。

不可克隆原理，是指量子態(tài)不同于經(jīng)典狀態(tài)，它非常脆弱，任何測量都會改變量子態(tài)本身，傳輸過程中如果有第三方克隆某個量子態(tài)，那么該量子態(tài)就會被毀滅，因此一個未知的量子態(tài)是無法被精確克隆的。不可克隆原理，有效杜絕了非法分子通過克隆復(fù)制信息的可能。

量子的糾纏態(tài)原理相對來說較為復(fù)雜，它是指在微觀世界里，不論兩個量子間距離多遠(yuǎn)，都會產(chǎn)生“心電感應(yīng)”，一個量子的變化都會影響另一個量子。例如，兩個量子A和B有“0”和“1”兩個狀態(tài)，如果A處于“0”的狀況，那么就可以判定B處于“1”的狀況。這種跨越空間能夠瞬間影響雙方的量子糾纏，曾經(jīng)被愛因斯坦稱為“詭異的互動性”，它是量子力量最為神秘的特點之一。

量子通信的加密原理總結(jié)起來有如下兩方面：一是不依賴于傳統(tǒng)的計算復(fù)雜性，而是基于量子力學(xué)中的海森堡測不準(zhǔn)原理和不可克隆定理等基本原理;二是利用光子的量子態(tài)作為密鑰或者是信息本身的載體，收發(fā)雙方可以通過量子測量的方法檢測出這些光子在傳輸過程中是否遭到了竊聽者的截獲，一旦確認(rèn)遭到竊聽則丟棄所傳輸?shù)拿荑€或信息，從而確保過程的安全。

量子通信出現(xiàn)兩大應(yīng)用分支

基于量子力學(xué)的三大原理，目前在量子通信方面出現(xiàn)了兩大應(yīng)用分支，一個是量子密鑰分發(fā)，二是量子隱形傳態(tài)。

量子密鑰分發(fā)技術(shù)是把密鑰編碼在量子態(tài)上，利用量子力學(xué)原理通過量子信道傳輸于發(fā)送者和接收者之間，用于保密通信雙方之間建立和傳送密鑰，而經(jīng)密鑰加密后的消息密文仍然通過傳統(tǒng)信道傳輸。

目前量子密鑰分發(fā)比較著名的理論方案有BB84方案、B92方案和E91方案。其中BB84方案采用4個量子態(tài)和兩組正交的測量基，發(fā)送方隨機(jī)選擇量子態(tài)發(fā)送，接受方隨機(jī)選擇測量基測量。等發(fā)送和測量一組數(shù)據(jù)后，接受者告訴發(fā)送者每次他使用的是哪個測量基，由于發(fā)送者清楚地知道自己發(fā)送了哪些態(tài)，因此他也知道接受者選錯了測量基還是選對了測量基，它通過公開信道告訴接受者保留哪些選對了的測量基結(jié)果。

B92方案采用兩個非正態(tài)實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)，簡化了BB84方案的過程，B92方案中通信雙方不用通過對比測量基就能知道保留哪些結(jié)果，簡化了通信過程，但是傳輸效率下降了一半，有75%的結(jié)果都被拋棄，因此從實際應(yīng)用的角度看BB84方案更為廣泛。

E91方案將一對相互糾纏的粒子分別發(fā)送給收發(fā)雙方，讓他們分別對其測量，當(dāng)兩個人選取的測量基一致時，A端可以通過自己的測量結(jié)果推測出B端的測量結(jié)果，從而在二者之間建立起相同的密鑰，這就是糾纏態(tài)能用于數(shù)據(jù)傳遞的原理。如果存在竊聽者，根據(jù)測量坍縮原理，他的測量行為一定會破壞量子的糾纏，因此對安全性的檢驗就轉(zhuǎn)化為了對糾纏的檢驗。與BB84和B92方案相比，E91方案能夠提供更高的安全性，但是驗證過程較為繁瑣，傳輸效率低。

量子隱形傳態(tài)則是一種利用量子安全特性進(jìn)行直接通信的方式。與量子密鑰分發(fā)的根本性區(qū)別在于，量子隱形傳態(tài)過程中，通信雙方不需要事先生成密鑰，而是通過直接建立量子信道的方式進(jìn)行通信，即直接完成秘密信息的安全傳輸，而無需進(jìn)行使用密鑰的加密和解密處理。量子隱形傳態(tài)的安全性也是基于量子不可克隆原理、量子測不準(zhǔn)原理，以及糾纏粒子的關(guān)聯(lián)性和非定域等?？傮w而言，量子隱形傳態(tài)還處于基礎(chǔ)研究階段。

我國位于研發(fā)應(yīng)用前列

1982年，法國物理學(xué)家艾倫·愛斯派克特成功完成了一項實驗，證實微觀粒子“量子糾纏”的現(xiàn)象確實存在;1993年，美國科學(xué)家C.H.Bennett提出了量子通信的概念，同年6位來自不同國家的科學(xué)家，基于量子糾纏理論，提出了量子通信最初的基本方案，由此開啟了量子通信從實驗室走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的新階段。

在產(chǎn)業(yè)化階段中，中國走在了前列。從上世紀(jì)八十年代開始，中國科技大學(xué)的郭光燦院士已經(jīng)開始系統(tǒng)地研究量子光學(xué)及其行業(yè)。1997年，在奧地利留學(xué)的中國青年學(xué)者潘建偉與荷蘭學(xué)者波密斯特等人合作，首次實現(xiàn)了未知量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸。這是國際上首次在實驗室成功地將一個量子態(tài)從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實驗中傳輸?shù)闹皇潜磉_(dá)量子信息的“狀態(tài)”，作為信息載體的光子本身并不被傳輸。

2000年左右，中科大以郭光燦和以潘建偉為首的兩個團(tuán)隊在量子通信研究上已經(jīng)取得了很好的科研成果，但這些成果都處于前期的試用階段。2009年國慶閱兵儀式上使用了量子通信加密設(shè)備，國家也開始給予重大支持，量子通信研究成果得到肯定。而2013年開始京滬干線的建設(shè)，則意味著量子通信在我國進(jìn)入加速發(fā)展的狀態(tài)。

量子通信在國內(nèi)最具標(biāo)志性的事件，是2016年8月16日凌晨我國發(fā)射人類歷史上第一顆用于量子通信研究的“墨子號”，該衛(wèi)星將配合多個地面站實施星地量子密鑰分發(fā)、星地量子糾纏分發(fā)和地星量子遠(yuǎn)程傳態(tài)等量子通信領(lǐng)域的實驗。“墨子號”的成功研制并發(fā)射，使得中國進(jìn)一步擴(kuò)大了在量子通信領(lǐng)域的世界領(lǐng)先優(yōu)勢。

除了“墨子號”之外，我國已經(jīng)建設(shè)了合肥城域網(wǎng)、蕪湖量子通信網(wǎng)、山東量子通信網(wǎng)、京滬干線、滬杭干線、上海通信網(wǎng)等量子通信試驗網(wǎng)，量子通信這一“黑科技”正從實驗室走向規(guī)模應(yīng)用，標(biāo)志著我國已然走在了世界量子通信領(lǐng)域發(fā)展前列。