某某某 提问

网友lris问

我国首颗量子科学试验卫星“墨子”发射升空,据说,这颗卫星成功运行后,我国将成为世界上第一个实现卫星和地面之间量子通信的国家。那么,到底什么是量子啊?量子卫星有什么神奇之处呢?

小编答

据小编了解,这个被命名为“墨子”的世界首颗量子科学实验卫星,其科技含量及精密程度可谓是达到了该研究领域前所未有的高度。那么“墨子”到底有何神奇之处呢?在回答这个问题之前,小编先给您科普一下“量子”。

在物理学界,一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,那么,这个物理量就是量子化的,并把这个最小单位称为量子,而且量子也是以某种粒子状态存在的。而我们看到的光,其实也是以光子为单位在不停地变化着。可以想象,我们举手投足间,甚至一个呼吸之间,都有上万亿的量子在移动。

量子有着堪称神奇的两个绝技:“分身术”和“远程心灵感应”。你可别小看这两门功夫,当前最强悍的量子计算机和最安全的量子通信,关键靠的就是它们。

量子“分身术”也叫量子叠加,就是一个量子可以同时以好几种状态存在。这个绝技是干什么用的呢?首先一个应用就是帮助计算机实现并行计算。这个能力有多强?举个例子,如果用现在的计算机分解一个300位的大数,需要15万年,而用量子的”分身术“并行运算,只需要一秒钟。

量子的另一个绝技“远程心灵感应”,学名叫量子纠缠。就是如果两个相似的量子距离足够近,就会发生纠缠。然后把他们分开,无论有多远,这两颗量子的状态就好像一对有心灵感应的双胞胎一样,一个开心,另一个也会笑。一个哭了,另一个一定也难过。这个可能是科学中最奇特的现象之一。

神奇的量子还有两个怪癖:不可分割、不可克隆。别嫌它古怪,要想做量子保密通信还真得靠这两个才行。利用量子的这两个怪癖,可以制作出最安全的保密钥匙,可以让我们目前的信息传输变得更安全。这又是怎么回事儿呢?我们继续探究。

我们都知道,在如今电子通信时代,信息安全脆弱得像一层窗户纸,基于计算复杂度的经典加密体系一次次被破解,绞尽脑汁的信息加密最终可能都形同虚设。譬如,在军事领域,你想用电磁波传递一个秘密,但“音量”再低,也防不住精细的窃听。你设法将“音量”调低到如此程度:只发射一颗光子,但任何间谍去测量都会破坏它,从而被发现。

为何会如此呢?那是因为传统光通信是通过光的强弱变化传输信息。从中分出一丁点光并不影响其他光继续传输信息,测量这一丁点光原理上就能窃取信息。而且,当前通信普遍使用的、以数学为基础的密码体制,也始终存在着被破译的风险,比如,公钥加密技术。

公钥加密技术,简单地说,就是拿两个很大的质数A和B进行乘积,然后把这个乘积作为公钥进行加密,然后用质数A或B进行解密。虽然得到A和B的乘积很容易,但是要直接从这个乘积分解成两个质数,就非常非常难。但是随着计算能力的不断提高,尤其是基于量子计算机的shor算法的出现,让基于大数因子分解的公钥加密技术,变得越来越脆弱。

这也就导致了,即使在通信技术如此发达的今天,各国间涉及政治外交、军事安全的大部分机密信件和物品,仍然通过最传统的方式——外交信使来传递。即便是再高级的保密通信,只要是通过当前的电话线、无线电、光纤等手段,都会面临被破译和窃听的可能。

而量子密钥就不一样了。它由A向B发射一系列不同偏振态的光子,B对其进行随机测量,然后选取符合A要求的测量结果作为密码。在验证密码的过程中,如果存在窃听行为,可以从测量结果的错误率中发现。

也就是说,使用量子通信,信息已经微弱到了极限——量子级别,再小心的读取都会彻底改变它,而不可能只改变一点点。因为依靠量子纠缠,也就是爱因斯坦说的“幽灵般的超距离作用”来工作——两颗光子无论相距多远,总是“心灵感应”:一个变化,另一个就保持同步。如果量子通信过程中存在窃听或者信息复制等测量行为,由于量子密码具有不确定性、不可克隆性,因而窃听者是永远无法获取全部信息的。

理论上,量子密钥分发克服了经典加密技术内在的安全隐患,是迄今为止惟一被严格证明是无条件安全的通信方式。中国量子卫星的保密原理就是如此。理论上绝对安全的密电一旦实现,银行和军队都将获益。

如今,我国首颗量子科学试验卫星“墨子”已经发射升空,它在两年的设计寿命中所要进行的量子密钥分发、量子纠缠分发和量子隐形传态三大实验都已在地面进行过,但是在卫星和地面这么大尺度的空间展开,在全球来说还是首次。

在“墨子”卫星发射后,中国还将陆续发射多颗量子卫星,力争在2030年前后率先建成全球化的广域量子保密通信网络。到那时,个人的网上银行、手机支付、信用卡等就再也不怕被盗号,类似“棱镜门”那样的泄密事件也不会再发生了。我们在祝贺“墨子”发射成功的同时,一起拭目以待吧!

本文参考:
      中国本月将发射世界首颗量子卫星 通讯将无法破解 中国军网 2016-08-15
      中国量子通信离规模应用还有多远? 新华社 2016-06-23