本文作者:Sheldon

1联合标题头

别看量子力学处处古怪,
关键时候它能帮你保密呢。

封面

京沪干线 (1)

2017年,由中科院领导、中国科学技术大学作为项目建设主体承担,中国有线电视网络有限公司、山东信息通信技术研究院、中国科大先进技术研究院、中国银行业监督管理委员会等单位协作建设的量子保密通信“京沪干线”顺利开通

这是世界上首条全长2000公里级别的,能够实现“天地一体化”的量子保密通信网络。

京沪干线 (2)

 1  为什么要搞量子保密通信?

网上买买买的时候你有没有想过,
你的手机向银行发起的交易信息,
真的安全吗?
答案是暂时安全,
因为网络交易信息都经过了加密(RSA加密)

京沪干线 (3)

要想破解RSA加密的密钥,
就要把一个很大很大的数,
(例如一个1024位的大数)
用暴力方法分解成
两个质数的乘积。
这个破解过程非常漫长,
用超级计算机太湖之光,
加上目前最优的算法,
大概还是需要50年
如果位数再增加几位,
想要破解就得100年起了。

 

京沪干线 (4)

如果将来有了量子计算机
运用量子计算的肖尔算法,
别说1024位的密钥了,
就连破解2048位的密钥,
它都只需要几秒钟

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所以,
为了未来的信息安全
许多国家需要研究和应用
量子保密通信技术

 2  什么是量子保密通信?

量子保密通信说白了,
就是利用量子力学的幺蛾子性质,
先发送、后产生一组完全随机的密钥,
供通信双方加密和解密时使用。

整个过程不可窃听,
产生的密文不可破解,
在物理上是绝对安全的。

京沪干线 (6)

网上传输所有的信息时,
都要先把信息转换成比特0和1。

假如你用传统的方法,
在光纤中传输一段密码,
就得用很多光子组成的脉冲表示1,
用没有光子的空白状态表示0。

这么多光子在光纤中跑,
想要窃听而不被发现,
一点儿也不难。

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但是在量子保密通信中,
科学家表示0和1的方法,
单个光子的偏振状态。

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比方说,
如果跑来一个0度偏振的光子,
我们就会接收到比特0;
如果跑来一个90度偏振的光子,
我们就会接收到比特1。

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量子通信的科学家非常鸡贼,
他们不但用0度和90度表示0和1,
还制定了一个奇葩的规定:
45度的光子也可以表示比特0,
135度的光子也可以表示比特1。

所以,
他们发送的0和1的序列,
必然随机包含两种类型的光子。

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当一个45度偏振的光子,
跑到测量0度和90度偏振的
接收器面前时,
又会得到什么结果呢?

量子力学中有个幺蛾子,
叫做量子叠加态
简单地说,
45度的偏振,
可以看作是0度和90度偏振的叠加。

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但是,
接收器显然不会
同时探测到0度和90度的偏振,
而是随机得到其中一种结果
要么是0度偏振(比特0)
要么是90度偏振(比特1),
两种结果都有一定概率发生。

这就是量子力学的另一个幺蛾子:
上帝掷骰子”!

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所以,
我们得到一个经验:
如果接收器和光子偏振方向不一致
就无法接收到正确的比特

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只有接收器和光子偏振方向一致时,
才能接收到正确的比特。

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假设有人不自量力,
非要在半路窃听,
由于他不知道每个光子发出的方向,
就算他接收到了一堆比特,
其中也会有大量的错误。

如果他自作聪明,
把含有大量错误的比特,
重新发送出去。
接收方收到比特后,
发现错误很多,
自然会知道有人在窃听!

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所以,
量子保密通信
在通信的过程中不可窃听

当科学家产生和发送量子密钥时,
他总是先随机发射两类光子,
接收方则会随机摆弄接收器的方向,
这会导致很多光子的接收失败。

然后,
科学家会和接收方通个电话,
交流一下哪些光子失败,
哪些光子成功。

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把失败光子的比特统统删除,
剩下的比特就组成了量子密钥。
因为每串秘钥都是随机产生的,
由此加密的信息便统统不可破解

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3 如何建造量子通信的京沪干线?

2016年8月,
我国发射了一枚量子实验卫星,
这是通向量子保密通信的关键一步。

不过,
由于卫星并不在同步轨道上,
而是不断在天上跑来跑去,
它不能24小时为我们提供服务,
所以,我们还要建造
地面量子通信系统:京沪干线

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京沪干线的建造方法,
看起来非常简单。
就是用你上网用的光纤,
把量子通信收发装置连起来。

由于在远距离通信中,
单个光子很容易被光纤吸收或散射,
所以在京沪干线上,
每隔一段距离,
就要建一个可信中继站

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在可信中继站之间,
量子密钥会接力传递。
如果有敌人潜入了中继站,
密钥就有可能被窃听。

但是,
相比经典通信的处处设防
可信中继的重点设防容易多了,
所以,
这种量子通信的实现方案,
在现有的技术手段下,
极大地提升了通信的安全性

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4 京沪干线有什么意义?

首先,
京沪干线的建成,
服务了国家的战略需求,
使我国在信息安全领域
达到世界领先水平。

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其次,
京沪干线吸引和培育了
量子通信的制造业和服务业。
其中的很多关键设备,
都是由中国企业自主研发和制造的。

例如,上转换单光子探测器
用的铌酸锂波导芯片
就是由济南量子技术研究院
和山东量子科学技术研究院有限公司
共同研制的。

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除此之外,中国企业还制造了
能够快速产生大量量子密钥的
GHz高速量子网关

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在接入站点进行大规模加密和解密的
密钥管理机

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能够扩展网络的光量子交换机

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还有能够从一个局域网
接入另一个局域网的
量子VPN

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在京沪干线的分阶段建造中,
银监会地方银监局银行
就已经在各自的系统中,
尝试应用量子保密通信了,
这会为量子通信的应用起到示范效果。

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量子实验卫星的发射,
和量子通信京沪干线的建成,
标志着中国正在努力成为,
下一代信息技术的“领跑者”。

量子通信应用的大幕,
正由中国和世界各地的科学家一起,
徐徐拉开。

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二维码

美指:牛猫

绘制:赏鉴

排版:胡豆

鸣谢:周飞,袁骁,周自恒

本文已发表于墨子沙龙,未经书面许可禁止转载及使用,自媒体、报刊等转载请联系Sheldon授权,

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