揭秘量子保密通信：任何測量都無法窮盡量子信息
E91量子通信協議示意圖
拿起電話，不用擔心被竊聽;通過網絡傳送一份保密文件，不用擔心途中被竊取……隨著社會的發展，人們對保密提出越來越多的需求，而各種保密通信體系也在不斷地滿足著這些需求。
近日，國家互聯網應急中心相關負責人表示，我國已成為網絡攻擊最大的受害國。確保信息安全，成為擺在我們面前的嚴峻課題。
2009年，量子政務網、量子通信網相繼在我國建成。這兩個可投入實際使用的量子通信網絡，標志著原本停留在紙面和實驗室的量子保密通信，已經開始在人們的日常生活中一展身手。
什么是量子保密通信?
保密通信分為加密、接收、解密3個過程：發送者將需要發送的內容通過某種加密規則(密鑰)轉化為密文;接收到密文后，接收者采用與加密密鑰匹配的解密密鑰對密文進行解密，得到傳輸內容。
在整個通信過程中，如何保證密鑰的保密性和不被破解是最為關鍵的問題。目前廣泛用于網絡、金融行業的密鑰的安全性由數學計算來保證。
量子保密通信的過程與此類似，只是用微觀粒子攜帶的狀態信息作為加密和解密用的密鑰。可不能小看這看似“微小”的變化，它使密鑰的安全性發生了翻天覆地的變化。
因為量子密鑰安全性不再由數學計算，而是由微觀粒子所遵循的物理規律來保證，竊聽者只有逾越物理世界的法則才有可能盜取密鑰。
而在當前看來，這幾乎是不可能的任務。不僅如此，量子保密通信還使竊聽者無處藏身。因為任何竊聽行為都會擾亂傳送密鑰的量子狀態，從而留下痕跡。
量子態隱形傳輸是一種全新通信方式，它傳輸的不再是經典信息而是量子態攜帶的量子信息，是未來量子通信網絡的核心要素。
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如何實現量子保密通信?
量子保密通信真正進入科學家的視野是在1984年。這一年，IBM華生實驗室工程師本奈特(Charles Bennett)和布拉薩德(Gilles Brassard)提出了全新的BB84保密通信協議。量子的某些基本物理特性開始成為保密通信中的主角。
和其他的保密通信協議一樣，本奈特和布拉薩德的方案中也有一個信息發送者愛麗絲和一個接收者鮑勃。不同的是，愛麗絲用光子的不同偏振態來傳輸密鑰的鍵值。愛麗絲按照直線(上下或左右)或者對角線(與垂直呈45度夾角)偏振的方式發出攜帶著不同信息的光子。
鮑勃收到光子后，并不知道發送方式，只能隨機選擇測量方式。當他的測量方式與愛麗絲的相同時，就能得到正確的密鑰值，如果測量方式錯誤，光子就有一半概率給出錯誤的密鑰值。
最后，愛麗絲可以通過公開渠道告訴鮑勃正確的測量方式，從而篩選出正確的鍵值構成密鑰。
如果有人企圖竊聽又會如何呢?按照海森堡測不準原理，任何測量都無法窮盡量子的所有信息。
因此，竊聽者要復制一個完全相同的光子根本是不可能的事情。他只有在中途攔截光子進行測量，然后按照測量到的信息發送一個相同的粒子。
與鮑勃一樣，竊聽者伊娃這時只能隨機選擇測量方式。而按錯誤測量方式得到的信息必然會誤導她發出錯誤的光子信號。當愛麗絲與鮑勃對照密鑰時，這些蛛絲馬跡就會“供出”竊聽者的存在。
量子保密通信技術基于量子力學原理，能確保兩地之間密匙分配的絕對安全性，從而保證了通信的絕對安全。
伊娃用錯誤方式接收光子的概率為50%，而鮑勃有50%的可能用正確方式接收這個光子，因此每竊聽一個光子，竊聽者有25%的可能被發現。這似乎是一次成功的竊聽。但往往密鑰并非只由一個光子信息組成，當密鑰長度增長至72個光子時，伊娃僅有十億分之一的可能不被發現。這真是應了一句古話：常在河邊走，哪有不濕鞋。
1991年，英國科學家埃克特(Artur Ekert)又提出了一套新想法。在這套被稱作E91的通信協議中，量子糾纏態被用于傳輸和保證信息安全。
根據這種被愛因斯坦稱作“幽靈般超距作用”的量子行為，兩個粒子經過相互作用后似乎就具有了某種“心電感應”：無論距離多遠，只要一個粒子的狀態發生變化，另一個粒子也會改變狀態。這種“心電感應”幾乎是在瞬間發生，遠遠超過光速。
如果愛麗絲和鮑勃各持有這樣一個粒子，愛麗絲只要對粒子進行某種操作，這個信息就會瞬間傳輸到鮑勃處。在E91協議中，愛麗絲和鮑勃先各自隨機選取方式對各自的粒子進行測量，然后選取雙方使用了相同測量方式得到的結果作為密鑰。
而要檢測是否有竊聽者，愛麗絲和鮑勃只要挑選出他們使用了不同測量方式的粒子，檢測它們是否仍然是糾纏粒子對就可以了。如果兩個粒子不再具有“心電感應”，那必定有人在傳輸途中“偷梁換柱”。
E91、BB84及其1992年的變體B92協議是構成了目前應用最廣泛的量子保密通信體系。或將它們稍加變化，或互相借鑒，科學家們希望籍此實現最安全、有效、便利的保密通信。
“量子政務網”關鍵設備全通型量子路由器 來源：中廣網
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量子通信到底有多遠?
本奈特和布拉薩德1984年用全新的通信協議叩開量子保密通信的大門，至今1/4個世紀的時間已經過去。然而，量子保密通信離走進尋常百姓家仍有一段距離。究竟是什么阻擋了人類的腳步?
1989年，華生實驗室里一個被稱作“瑪莎阿姨的棺材(Aunt Martha's coffin)”的小盒子中，光子攜帶著密鑰信號走過了30厘米的距離，證實了量子保密通信的可行性。1993年英國國防部又將這一紀錄提高到10公里。
但在實際操作中，科學家發現雖然已經有了完備的密鑰分發協議，諸如如何得到單個光子源，如何減少光子信號在傳輸過程中的損耗等問題卻始終限制著量子通信的實際應用。
理論預計，光纖以及周圍環境對光子信號的干擾，將使量子信號的最大傳輸距離限制在100公里量級。而2007年，美國科學家已經利用光纖實現了距離為148.7公里量子通信，直逼理論預計的極限。
通信信號衰減、被干擾等情況也同樣出現在傳統的通信過程中，但電子中繼器的發明，使通信信號能經過一番“能量補給”或“整形”后繼續傳輸。
類比于電子中繼器，奧地利科學家提出了“量子中繼器”的想法，希望通過量子存儲技術與量子糾纏交換實現信號補償。
2008年，我國科學家把這一想法變成了現實。在300米長的光纖連接的冷原子系綜之間，潘建偉小組實現了原子系綜之間的量子糾纏，并將糾纏態讀出、傳遞給新的光子繼續傳輸。
也就是說，光子經過長途旅行“精疲力竭”后，只需進入量子中繼器，就可將傳遞信息的任務交給其它光子。單個光子的傳輸距離縮短，再加上量子中繼器的糾纏信號純化功能，自然能使整個通信過程的質量大大得到保障。難怪2008年8月28日出版的《自然》將這項工作稱贊為“掃除了量子通信中的一大絆腳石”。
為提高通信質量，科學家們還在減少干擾源方面努力。2006年，歐洲科學家讓光子在自由空間而不是光纖中完成了一次量子通信過程。
通信在相距144公里的西班牙加納利群島的La Palma島和Tenerife島之間根據E91協議展開，2007年又根據BB84協議將實驗重復了一次。
科學家希望通過這種方式檢測通過衛星進行量子通信的可能性。因為地球的高層大氣遠比地球表面大氣稀薄，粒子較少，因此量子信號在地面和衛星之間傳輸時受到的干擾和衰減的機會也大大減少。不過，為了在實驗中捕捉光子信號，科學家還動用了歐洲太空署光學地面站的望遠鏡。
可以料想，如果有朝一日真能通過衛星實現量子通信，其成本自然是不菲。
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各方聲音：確定?不確定?
雖然傳輸效率、成本等問題一直限制著量子通信的發展，我國科學家去年的兩項成果卻讓量子保密通信離大規模應用更近一步。
中科院副院長詹文龍在“全通型量子通信網絡”的鑒定會上表示，這一成果標志著我國在城域量子網絡關鍵技術方面已經達到了產業化要求。
也有人指出量子密碼可能并非想象中的牢不可破。僅在2008年，就有瑞典林雪平大學學者拉森和挪威科技大學學者馬卡羅夫分別指出量子通信體系的漏洞。
雖然這些并不是量子密碼原理的不完滿，而是系統的不適應，卻也讓人們對未來的量子通信體系留有一絲不確定。
而量子力學本身留給人們的不確定性更多。量子糾纏中超越光速的超距作用因違背光速不變原理而讓愛因斯坦認為難以置信，而量子糾纏的發生機理至今仍是未解之謎。路甬祥更是把量子力學與廣義相對論之間的不相容問題列為當代科學所面臨的四大難題之首。
種種不確定性并不能阻擋人們探索的腳步。美國、瑞士、法國等歐美國家已成立公司進行量子通信的商業研發。
而去年落戶安徽的“量子政務網”正是出自專門從事量子密鑰研究的“問天量子”公司。
在國家安全、金融等信息安全領域，量子保密通信技術也開始發揮作用。2004年奧地利銀行作為世界上首個采用量子通信的銀行，利用該技術將一張重要支票從市長處傳至銀行。2007年瑞士全國大選的選票結果傳送過程也采用了量子保密通信技術，以保證結果的絕對安全。
量子保密通信的核心技術如今更是成為各國的高度機密。從這種重視程度，自然能確定各國對量子保密通信寄予的厚望。
新聞回放
兩大量子通信網絡落戶安徽
從2009年5月開始，安徽蕪湖的公務人員傳送保密公文時多了一種選擇——量子政務網。
去年5月18日，中國科學技術大學郭光燦研究組利用傳統光纖和量子通信技術研制的世界首個“量子政務網”在蕪湖建成并投入使用。
首期“量子政務網”將蕪湖市科技局、招商局等八個用戶包括在內。除一個用戶節點被用于檢測竊聽外，其余7個用戶中的任意兩個都可實現保密的通信過程，而傳輸內容包括文件、音頻、動態圖像等多種信息。
也就是說，日常工作中需要保密的文件傳遞、電話溝通以及視頻會議等過程均可通過“量子政務網”方便快捷地實現。
中科大在蕪湖建成世界上首個光量子保密政務網。圖為中科院量子信息重點實驗室博士生陳巍介紹文件加密后的不同。來源：中廣網
3個月后，安徽省省長王三運也體驗了一把量子通信網絡的便利。8月29日，“全通型量子通信網絡”亮相合肥。由中國科學技術大學潘建偉小組完成的這個量子通信網絡包含5個節點，各節點(用戶)的間距達到20公里，整個網絡可覆蓋一個中型城市，因此也被稱作世界上首個城域量子通信網絡。
通過網絡，兩兩用戶間可同時進行通信，互不影響，并實現了上級用戶對下級用戶的通信授權管理。在親身體驗量子通信網絡的視頻和通話功能后，王三運連稱：“聲音很清晰!”
這兩大網絡在安徽建成，使人們離量子保密通信更近一步。量子政務網使用的核心器件和設備，全部為中國自主研發或與國內單位聯合研制，整個網絡已經實現國產化。而潘建偉小組建成的量子通信網絡實際由該小組5月份研制的3節點網絡擴展而來。
5節點網絡的成功運行標志著我國量子通信系統組網、擴展能力，以及大規模可擴展網絡量子通信技術的成熟。
潘建偉表示，2010年他們還在合肥市及周邊地區啟動建設一個40節點量子通信網絡示范工程，為量子通信的大規模應用積累工程經驗。
2007年開始，中國科大——清華大學聯合小組在北京八達嶺與河北懷來之間架設長達16公里的自由空間量子信道，并取得了一系列關鍵技術突破，最終在2009年成功實現了世界上最遠距離的量子態隱形傳輸，證實了量子態隱形傳輸穿越大氣層的可行性。
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2月21日，新華社和中國科技大學合作建設的金融信息量子通信驗證網開通儀式在北京舉行。中共中央政治局委員、國務委員劉延東出席儀式。這是劉延東和新華社社長李從軍(前右)、中國科學院院長白春禮(前左)觸摸啟動球，開通金融信息量子通信驗證網。 新華社記者龐興雷攝
資料圖：圖為WT-1型量子路由器和WT-2型量子交換機
