“絕對(duì)安全”不再遙遠(yuǎn)

量子信息科學(xué)拓寬和深化了量子理論在改變?nèi)祟?lèi)生活和社會(huì)面貌方面的應(yīng)用，成為未來(lái)信息技術(shù)的戰(zhàn)略性發(fā)展方向

量子信息，已然成為了當(dāng)下人們關(guān)注的焦點(diǎn)。伴隨著量子信息技術(shù)逐漸走向?qū)嵱没?，其衍生出的量子通信技術(shù)，更被譽(yù)為是繼微電子信息之后，最有可能引發(fā)軍事、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)領(lǐng)域又一次重大革命的關(guān)鍵技術(shù)。

量子信息科學(xué)的誕生

自上世紀(jì)80年代開(kāi)始，人們發(fā)現(xiàn)，量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合，可以開(kāi)拓與經(jīng)典方式具有本質(zhì)區(qū)別的全新的信息處理和通信方式。于是，一門(mén)新興的學(xué)科——量子信息科學(xué)就此誕生。

在量子力學(xué)中，量子信息是關(guān)于量子系統(tǒng)“狀態(tài)”所帶有的物理信息。它是通過(guò)量子系統(tǒng)的各種相干特性（如量子并行、量子糾纏和量子不可克隆等），進(jìn)行計(jì)算、編碼和信息傳輸?shù)娜滦畔⒎绞健?/p>

至此，量子信息科學(xué)就迅速成為近年來(lái)物理學(xué)和信息科學(xué)領(lǐng)域最活躍的研究前沿之一。利用量子調(diào)控技術(shù)，能夠用一種革命性的方式對(duì)信息進(jìn)行編碼、存儲(chǔ)、傳輸和操縱，在增大信息傳輸容量、提高運(yùn)算速度、確保信息安全等方面突破了經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸。

量子信息科學(xué)拓寬和深化了量子理論在改變?nèi)祟?lèi)生活和社會(huì)面貌方面的應(yīng)用，成為未來(lái)信息技術(shù)的戰(zhàn)略性發(fā)展方向，很有可能會(huì)推動(dòng)整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革命。量子信息主要包括量子通信和量子計(jì)算兩個(gè)領(lǐng)域。量子通信主要研究量子密碼、量子隱形傳態(tài)、遠(yuǎn)距離量子通信的技術(shù)等等；量子計(jì)算主要研究量子計(jì)算機(jī)和適合于量子計(jì)算機(jī)的量子算法。

而要說(shuō)到最先走向?qū)嵱没牧孔有畔⒓夹g(shù)，非量子通信莫屬。

量子通信絕對(duì)安全

安全地進(jìn)行信息傳遞是人類(lèi)千百年來(lái)的夢(mèng)想之一。但在今日這個(gè)信息技術(shù)飛速進(jìn)步的時(shí)代，安全通信卻幾乎成為海市蜃樓。由于經(jīng)典信息容易被復(fù)制，因此保障通信安全的主要方法就是加密信息，使竊取者即使復(fù)制了加密后的密文也無(wú)法讀取原文。

但是這種方法的安全性在理論上缺乏證明——數(shù)學(xué)的不斷進(jìn)步可能使得一些現(xiàn)在看起來(lái)無(wú)法利用數(shù)學(xué)方法破解的加密解密算法在未來(lái)得以破解，因此這種方法遠(yuǎn)不能保證建造“絕對(duì)安全”的通信系統(tǒng)，而且在實(shí)際應(yīng)用中也存在著加密和解密效率低下等諸多問(wèn)題。

更為嚴(yán)峻的是，隨著計(jì)算科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)所擁有的計(jì)算能力的提升速度和潛力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了人們最初的想象，經(jīng)典密碼加密技術(shù)對(duì)于通信安全的保障能力也顯得遠(yuǎn)非人們預(yù)先估計(jì)的那么可靠了。尤其是上世紀(jì)70年代以來(lái)，量子計(jì)算概念的提出和它的初步實(shí)驗(yàn)演示，更如同在經(jīng)典密碼安全性上方高懸的“達(dá)摩克利斯之劍”，隨時(shí)威脅著經(jīng)典通信系統(tǒng)的安全。

但如今，人們的這些顧慮可能會(huì)伴隨著量子通信技術(shù)的應(yīng)用和普及而被永遠(yuǎn)“埋葬”。廣義地說(shuō)，量子通信是指利用量子比特作為信息載體來(lái)傳輸信息的通信技術(shù)。量子通信內(nèi)涵很廣泛，量子隱形傳態(tài)、量子保密通信、量子密集編碼等都屬于量子通信領(lǐng)域。但由于量子保密通信是目前最接近實(shí)用化的量子信息技術(shù)，也是人類(lèi)目前掌握的唯一的無(wú)條件安全密碼技術(shù)，因此，我們?nèi)粘Ｌ岬搅孔油ㄐ艜r(shí)常常特指量子保密通信。

在量子通信過(guò)程中，發(fā)送方和接收方采用單光子的狀態(tài)作為信息載體來(lái)建立密鑰。通常來(lái)說(shuō)，竊聽(tīng)者可能用三種方法進(jìn)行竊聽(tīng)：

第一種方法是將單光子分割成兩部分，讓其中一部分繼續(xù)傳送，而對(duì)另一部分進(jìn)行狀態(tài)測(cè)量獲取密鑰信息。但由于單光子不可分割，因此這種辦法無(wú)法做到。

第二種可能的方法是竊聽(tīng)者希望截取單光子后，測(cè)量其狀態(tài)，然后根據(jù)測(cè)量結(jié)果發(fā)送一個(gè)新光子給接收方。但由于竊聽(tīng)者不能精確地對(duì)光子的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，所以發(fā)送給接收方的光子的狀態(tài)與其原始狀態(tài)會(huì)存在偏差。這樣，發(fā)送方和接收方可以利用這個(gè)偏差來(lái)探測(cè)到竊聽(tīng)者對(duì)光子的測(cè)量擾動(dòng)，從而檢驗(yàn)他們之間所建立的密鑰的安全性。

第三種可能的方法是竊聽(tīng)者截取單光子后，通過(guò)復(fù)制單光子的狀態(tài)來(lái)竊取信息。但按照量子不可克隆原理，未知的量子態(tài)不可能被精確復(fù)制。

因此，無(wú)論是現(xiàn)在還是將來(lái)，無(wú)論破譯者掌握了多么先進(jìn)的竊聽(tīng)技術(shù)、多強(qiáng)大的破譯能力，只要量子力學(xué)規(guī)律成立，由量子通信建立起的秘密就無(wú)法被破解。

可以說(shuō)，量子通信系統(tǒng)的問(wèn)世，重新點(diǎn)燃了建造“絕對(duì)安全”通信系統(tǒng)的希望。通向“絕對(duì)安全通信”這個(gè)千百年來(lái)人類(lèi)夢(mèng)想大道的入口，在量子物理的指引下，又重新顯露在人們視野之中。

得益于這種“絕對(duì)安全”，通過(guò)量子通信，人們可以從根本上解決國(guó)防、金融、政務(wù)、商業(yè)等領(lǐng)域的信息安全問(wèn)題。因此，量子通信被視為是保障未來(lái)信息社會(huì)通信安全的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

更進(jìn)一步來(lái)講，量子通信還能實(shí)質(zhì)性地提升國(guó)家的信息技術(shù)水平和信息產(chǎn)業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)國(guó)家信息系統(tǒng)建設(shè)的跨越式發(fā)展，對(duì)國(guó)家綜合國(guó)力的提升、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的進(jìn)步產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。正因于此，其也成為世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家優(yōu)先發(fā)展的科技和產(chǎn)業(yè)高地。

量子通信就在我們身邊

早在三年前，“墨子號(hào)”研發(fā)參與者之一、濟(jì)南量子技術(shù)研究院院長(zhǎng)助理周飛博士所在的濟(jì)南量子技術(shù)研究院，在國(guó)內(nèi)最早“嘗鮮”量子技術(shù)成果，投資1.2億元建成了世界規(guī)模最大、功能最全的量子通信試驗(yàn)網(wǎng)——濟(jì)南量子通信試驗(yàn)網(wǎng)（下稱(chēng)“濟(jì)南網(wǎng)”），運(yùn)用一系列核心技術(shù)為山東政務(wù)、金融、政法、科研、教育五大領(lǐng)域28家單位的100多個(gè)用戶(hù)提供保密通信服務(wù)。

一部其貌不揚(yáng)的黑色電話(huà)，出現(xiàn)在濟(jì)南市多個(gè)單位的核心業(yè)務(wù)部門(mén)。在檢察院系統(tǒng)，對(duì)一些貪腐案件調(diào)查進(jìn)行信息溝通時(shí)，通過(guò)它可以保障信息安全，不存在泄露或竊聽(tīng)；一些政府部門(mén)在政務(wù)信息的溝通中，通過(guò)它可以做好機(jī)要信息安全保護(hù)。

“這就是‘量子保密電話(huà)’?！敝茱w表示，“使用人在撥打或接聽(tīng)電話(huà)時(shí)，通話(huà)記錄可以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)保密?！?/p>

“現(xiàn)代密碼學(xué)所采用的加密通常是利用數(shù)學(xué)算法的復(fù)雜度來(lái)增加破譯的困難程度。如果破譯者希望得到信息的內(nèi)容，就需要先破譯得到‘鑰匙’。而超級(jí)計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，再?gòu)?fù)雜的‘鑰匙’都有可能最終被破譯?！敝茱w舉例說(shuō)，“比如我們平時(shí)打電話(huà)時(shí)，信號(hào)經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)、基站等若干個(gè)節(jié)點(diǎn)，任何一點(diǎn)都可能被竊聽(tīng)。盡管信息也是加密的，但是這些傳統(tǒng)加密辦法較易被破解。而如果用量子技術(shù)加密，理論上不可破解。”

處于量子態(tài)的粒子具有“自我毀滅”的特性，這讓它適合做“保密工具”。周飛打比方：“古人在信封上用火漆封口，一旦信件被中途拆開(kāi)，就會(huì)留下泄密的痕跡，而量子密鑰會(huì)讓‘信件’自毀，并讓使用者知曉?！痹跐?jì)南研發(fā)試驗(yàn)的這項(xiàng)保密通信技術(shù)，已經(jīng)在黨的十八大會(huì)議上成功應(yīng)用，用于會(huì)場(chǎng)內(nèi)及周邊的信息保密傳輸，防止會(huì)議內(nèi)容遭竊聽(tīng)。

周飛說(shuō)，類(lèi)似量子通訊核心技術(shù)的研發(fā)支撐起“濟(jì)南網(wǎng)”的正常運(yùn)行。