人类未来信息安全靠量子通信

当无人驾驶汽车正在行驶,远程指挥信号突然被截获、篡改怎么办?当你向家中的机器人发出无线指令,信号被破解、扭曲怎么办?在当前信息科技走向智能化、更深入人类生活的时代,“无条件安全”的量子通信出现正当其时。

   量子通信为何有这么大的“神通”?让我们从量子的概念说起。

   量子,是最小的、不可再分割的能量单位。我们中学物理书上学到的分子、原子、光子、电子,其实都是量子的不同表现形式。所以也可以说,我们的世界都是由量子组成的。而我们每个人,都是“24K”纯量子产品。

   与以牛顿力学为代表的经典物理世界不同,在微观量子世界,有着常人难以理解的运行法则。量子如同一个“小妖精”,具有量子态叠加、量子测不准、不可克隆、量子纠缠等匪夷所思的特性。世界著名物理学家、诺贝尔奖获得者玻尔曾说过:“谁要是第一次听到量子理论时没有感到困惑,那他一定没听懂。”

   首先是量子态叠加。在经典世界里,物体在某一时刻有着确定的状态、确定的位置,但量子却同时处于多种状态和位置的叠加。

   奥地利物理学家薛定谔曾用一只猫来比喻量子态叠加:箱子里有一只猫,在经典世界中它要么是活的,要么是死的。但在量子世界中,它同时处于生和死两种状态的叠加。量子又像会“分身术”的孙悟空,可以同时身处于花果山、五行山下和取经路上。

   但是,当有人打开箱子“看”薛定谔那只猫,它就变成一种确定的状态了,要么活,要么死。而当唐僧发出召唤:“悟空,你在哪里?”孙悟空就会确定的出现在一个地方。——这就是量子的第二个特性:“测不准”。也因此引申出量子的另一个特性:“不可克隆”,它的未知状态是无法被精确复制的。

   除了“分身术”,量子还会“心灵感应”:量子纠缠。如果两个量子之间形成了“纠缠”关系,那么无论相隔多远,当一个量子的状态发生变化,另一个量子也会“瞬间”发生相应变化。爱因斯坦曾把这一现象称作“诡异的互动性”。

   我国物理学家潘建伟曾用“量子骰子”来比如量子纠缠态。“如果有两个‘量子骰子’之间形成了纠缠态,我和北京的一个朋友各拿一个骰子,那么无论他怎么掷骰子,我在合肥都能立马猜出骰子掷出的数字。”他说。

   如果看到这里,你还是没有看明白。那不怪你,连爱因斯坦也对量子的特性“纠结”了好多年,为此和他的物理学哥们玻尔多次“撕逼”。

   可以说,量子的这些奇异特性,完全颠覆了人们对经典物理世界的认知。但从上世纪以来,这些特性已被科学界多种方法验证,也为基于这些特性开展创新应用带来了可能,比如量子通信

   在现在所处的信息时代,我们的信息传输加密主要依赖于算法,但无论算法设计得多么复杂,计算机总能通过“运算”来破解,只是耗时长短问题。

   但由于量子具有“不可分割”、“测不准”、“不可克隆”等特性,科学家近年来开发出了一种原理上绝对安全的量子通信。

   首先,由于“不可分割”,窃听者无法分割出“半个量子”进行测量;其次,因为测量必然会改变量子的状态,窃听者也不能截取量子后测量状态,因为这样窃听行为就会暴露;第三,因为未知的量子态是无法被精确复制的,窃听者即使截取了量子,也不能通过复制量子状态来窃听信息,得到的只能是“乱码”。

   就这样,量子通信可以从原理上确保身份认证、传输加密以及数字签名等的无条件安全,从根本上、永久性解决信息安全问题。目前,量子保密通信已经步入产业化阶段,开始保护我们的信息安全。

   而今年8月16日凌晨发射的量子科学实验卫星,将在更辽远的太空层面对量子特性进行检验。卫星将发出一连串的量子信号,由地面上的实验站进行接收和解码。这也是人类历史上首次尝试在太空进行量子通信,如果取得成功,意味着建设全球化的量子通信网络在技术上成为可能。

   按照中国的规划,未来还将发射多颗量子卫星。到2030年左右,建成一个全球化的广域量子通信网络。

   现在,信息科技深入我们的生活,几乎每个人都成为通信网、互联网上的一个节点,衣、食、住、行、学都离不开信息服务。信息科技还在高速发展,无人驾驶、机器人等将在可预见的未来进入我们的生活,新兴的量子通信也将成为保障信息安全的“护卫舰”。