林寬雨

我們每個(gè)人都有小秘密。有時(shí)候我們想把小秘密告訴某個(gè)人，為了不讓其他人聽到，可以把這個(gè)人叫到身邊悄悄告訴他。而我們?cè)谲娛?、金融等領(lǐng)域的通信中，也有很多是只能讓指定的人或機(jī)構(gòu)接收的“悄悄話”。為了不讓不相干的人聽到，人們就想辦法將“悄悄話”加密，以防止信息在長(zhǎng)距離傳遞過程中被第三者獲悉。今天我們就來(lái)講一種保密性很好的通信方式——量子通信，看看人們?nèi)绾卫昧孔蛹夹g(shù)給“悄悄話”加把“鎖”。

通信加密兩絕招

在介紹量子保密通信之前，我們先來(lái)見識(shí)一下兩大常見的加密絕招：對(duì)稱密鑰加密和非對(duì)稱密鑰加密。

對(duì)稱密鑰加密

所謂對(duì)稱密鑰加密，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是發(fā)件人利用密鑰將明文加密成密文，收件人在收到文件后利用密鑰將密文破譯成明文。因?yàn)榧用芎徒饷苡玫氖峭环N密鑰，所以叫對(duì)稱密鑰加密。

非對(duì)稱密鑰加密

雖然用對(duì)稱密鑰加密的密文不好破譯，但密鑰在傳遞的過程中存在被敵人截獲的風(fēng)險(xiǎn)。為此，人們想出了另一種加密方法——非對(duì)稱密鑰加密。這種加密方式簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是有兩個(gè)不同的密鑰，一個(gè)用來(lái)加密，一個(gè)用來(lái)破譯。這兩個(gè)密鑰就像是鎖和鑰匙，它們都是收件人制造的，收件人會(huì)把“鑰匙”留在手中而把“鎖”郵寄給發(fā)件人。因?yàn)樽罱K用來(lái)破譯密文的“鑰匙”不用傳遞，所以這種方式可以避免密鑰在傳遞過程中可能遇到的風(fēng)險(xiǎn)。

武功蓋世計(jì)算機(jī)

雖然目前采用非對(duì)稱密鑰加密的密文要想通過普通計(jì)算機(jī)破譯大概需要成千上萬(wàn)年，但隨著科技的快速發(fā)展，云計(jì)算、大型機(jī)等相繼出現(xiàn)，尤其是未來(lái)可能還會(huì)有實(shí)力更可怕的計(jì)算機(jī)被廣泛應(yīng)用，那就是量子計(jì)算機(jī)，人們依然感受到了危機(jī)。

量子計(jì)算機(jī)是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算、存儲(chǔ)和處理量子信息的物理裝備。雖然量子計(jì)算機(jī)也是用來(lái)解決各種計(jì)算、信息問題的，但與普通計(jì)算機(jī)不同的是，量子計(jì)算機(jī)能同時(shí)進(jìn)行多種計(jì)算工作。正因如此，量子計(jì)算機(jī)的實(shí)力跟普通計(jì)算機(jī)完全不在一個(gè)層級(jí)，普通計(jì)算機(jī)需要15萬(wàn)年計(jì)算完的數(shù)據(jù)，量子計(jì)算機(jī)不用1秒就能搞定。如果碰上計(jì)算能力這么強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，非對(duì)稱密鑰也只能舉手投降了。

量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)得益于一種神奇的小不點(diǎn)，它就是量子。德國(guó)物理學(xué)家馬克思·普朗克在1900年提出了一個(gè)著名的量子理論。在這個(gè)理論里，量子還有兩個(gè)超出我們傳統(tǒng)認(rèn)知的神奇之處。

疊加狀態(tài)

在我們的認(rèn)知里，任何物體在某一時(shí)刻只有一種狀態(tài)，比如你要么醒著要么睡著。但在微觀世界里的量子卻不是這樣，它在某一時(shí)刻可以處于多種狀態(tài)的疊加。奧地利物理學(xué)家薛定諤曾用一只貓形容量子的這個(gè)特性：把一只貓和一個(gè)裝有毒物的瓶子放進(jìn)一個(gè)封閉的房間里，因?yàn)槠孔涌赡芷扑獒尫哦疚铮部赡懿黄扑椴会尫?，所以我們覺得這只貓要么死了要么活著。但在微觀世界里，這只貓?zhí)幱谝环N死貓和活貓疊加的狀態(tài)，既是死貓又是活貓。遺憾的是量子的這種神奇特性并不能展示在我們面前，一旦我們?nèi)y(cè)量它，它就會(huì)變成疊加狀態(tài)中的一種。

心有靈犀

量子雖然不存在雙胞胎的說(shuō)法，卻能感知對(duì)方。據(jù)說(shuō)在微觀世界里，兩個(gè)量子無(wú)論相距多遠(yuǎn)，只要其中一個(gè)狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)也會(huì)瞬間跟著改變。如果心有靈犀也有等級(jí)，那量子之間的這種心有靈犀一定是王者級(jí)別的。這種特性也被稱為量子糾纏。

破譯密文有方法

如何讓“悄悄話”更安全，安全到連計(jì)算機(jī)都無(wú)計(jì)可施呢？在這個(gè)問題上人們又打起了量子的主意。因?yàn)榱孔泳哂行撵`感應(yīng)的神奇特性，在使用量子通信時(shí)，一方發(fā)生改變，另一方也會(huì)立刻改變，不會(huì)造成通信延遲。另外，量子不可復(fù)制，每一對(duì)糾纏的量子都是獨(dú)特的，因此通信內(nèi)容也很難被竊取。量子保密通信采用的是對(duì)稱密鑰加密的方式，但與普通的對(duì)稱密鑰加密不同的是，量子通信不需要傳遞密鑰。通過發(fā)送光子，再利用量子的神奇特性和一些關(guān)于量子通信的協(xié)議，收件人和發(fā)件人就能得到相同的密鑰，然后就可以按照我們熟悉的對(duì)稱密鑰加密的方式傳遞密文了。

量子通信新征程

雖然量子通信的安全性能很突出，但它也有一個(gè)明顯的弱點(diǎn)：在通道中奔跑的耐力不足。隨著傳輸距離增加，量子通信的傳輸速度會(huì)越來(lái)越慢。如果在速度接近于0時(shí)還沒到達(dá)目的地，傳輸就將以失敗告終。正因如此，現(xiàn)在研究量子通信的國(guó)家都在努力提升量子通信的傳輸距離。我國(guó)在量子通信領(lǐng)域的研究雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，2016年成功將世界上首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”送上天，之后取得了一系列令世界矚目的成就。2017年，世界首條千公里級(jí)量子保密通信干線——京滬干線建成啟用，在京滬干線和“墨子號(hào)”的合作下，我國(guó)成功實(shí)現(xiàn)世界首次洲際量子保密通信；2021年1月，我國(guó)成功實(shí)現(xiàn)跨越4600千米、覆蓋四省三市共計(jì)32個(gè)節(jié)點(diǎn)的密鑰分發(fā)；2022年4月，我國(guó)將光纖中的量子直接通信距離提升到了100千米，這是當(dāng)前世界上最長(zhǎng)的量子直接通信距離。此外，中國(guó)電信發(fā)布了業(yè)內(nèi)首款基于量子信息技術(shù)的加密通話產(chǎn)品——天翼量子高清密話，說(shuō)不定很快我們就能用上量子密話手機(jī)了。未來(lái)，隨著量子通信技術(shù)的高速發(fā)展，我國(guó)在量子通信領(lǐng)域還會(huì)創(chuàng)造更多的輝煌，讓我們拭目以待吧。

除了文中提到的量子計(jì)算和量子通信，量子還有一個(gè)主要用途，那就是精密測(cè)量。傳統(tǒng)的測(cè)量設(shè)備最小只能測(cè)到微米級(jí)別，而依靠量子技術(shù)打造的測(cè)量設(shè)備卻可以測(cè)量大小只有納米級(jí)別甚至更小的物質(zhì)。未來(lái)這些精密的測(cè)量?jī)x器可能會(huì)在石油勘探、醫(yī)療、生命科學(xué)等領(lǐng)域做出突出貢獻(xiàn)。