2017年以來(lái)，在代表通信技術(shù)前沿陣地的量子通信領(lǐng)域，我國(guó)可謂是捷報(bào)頻傳：首先是今年3月量子通信京滬干線開始最后階段的貫通測(cè)試，其次是量子糾纏分發(fā)實(shí)現(xiàn)千公里量級(jí)的傳輸，再次是近日我國(guó)成功實(shí)現(xiàn)水下量子通信實(shí)驗(yàn)。一個(gè)個(gè)里程碑進(jìn)展的獲得，代表我國(guó)不斷攻克量子通信的關(guān)鍵技術(shù)難題，將量子通信研究帶入了新時(shí)代。

　　業(yè)界普遍認(rèn)為，量子通信是當(dāng)前世界上最為先進(jìn)的保密通信技術(shù)，以量子通信為基礎(chǔ)，可以構(gòu)筑天地一體化、高速靈活、安全穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。這樣的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施不僅可以應(yīng)用于國(guó)防、軍事等國(guó)家級(jí)保密領(lǐng)域，還可以應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心、金融、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。

　　那么，以高安全著稱的量子通信出現(xiàn)的必要性何在?量子通信又如何確保通信信息的安全性?本文對(duì)上述問題進(jìn)行分析和說(shuō)明。

　　傳統(tǒng)加密算法防護(hù)能力趨弱

　　近年來(lái)“斯諾登事件”的爆發(fā)給我國(guó)敲響了信息通信安全的警鐘，而“WannaCry”、“Petya”等勒索病毒的出現(xiàn)，則表明在互聯(lián)網(wǎng)前沿領(lǐng)域還存在很多不安全的地帶。因此，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)與信息通信安全保護(hù)、構(gòu)筑信息安全防護(hù)的長(zhǎng)城，是我國(guó)信息通信領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急。

　　正所謂“道高一尺魔高一丈”，安全威脅和防控措施從來(lái)都是“矛和盾”的關(guān)系，因此安全防護(hù)不可能一勞永逸，而是需要根據(jù)新的形勢(shì)不斷自我提升，這就是量子通信出現(xiàn)的必要性。

　　目前業(yè)界使用最為廣泛的公鑰加密算法，為1977年由美國(guó)三位科學(xué)家提出的RSA129算法。該算法的原理是，將兩位質(zhì)數(shù)相乘獲得一個(gè)129位的數(shù)字，其中的兩個(gè)乘數(shù)就是隱藏在公鑰加密算法中的關(guān)鍵信息。這一加密算法的原理是：兩個(gè)質(zhì)數(shù)的乘積計(jì)算非常簡(jiǎn)單，但是要把乘積進(jìn)行因式分解難度就特別大，而且數(shù)字越大，越難以破解。按照1977年的計(jì)算能力，破解129位的數(shù)字大約需要4億億年。

　　但是時(shí)隔17年后，破解加密算法的時(shí)間就縮減到了8個(gè)月左右。而現(xiàn)在量子計(jì)算出現(xiàn)后，計(jì)算速度和能力大大提升，使得破解RSA129加密算法的時(shí)間進(jìn)一步縮減到了幾十秒。

　　其根本原因在于，傳統(tǒng)的通信加密一般在加密數(shù)據(jù)和傳輸介質(zhì)上做文章，而這種加密方法只能增加破譯的難度，無(wú)論采用先進(jìn)算法破譯，還是采用超級(jí)計(jì)算機(jī)暴力破譯，破解傳統(tǒng)通信加密數(shù)據(jù)只是時(shí)間長(zhǎng)短的問題。隨著計(jì)算能力的提升，破解時(shí)間越來(lái)越短，甚至達(dá)到秒級(jí)。

　　因此，采用全新信息安全技術(shù)提升安全防護(hù)能力已經(jīng)迫在眉睫。與量子計(jì)算如影隨形的另一項(xiàng)技術(shù)——量子通信進(jìn)入了人們視野。

　　量子力學(xué)三大原理確保信息傳輸安全可靠

　　在探討量子通信之前，首先看看量子是什么。量子是能表現(xiàn)出物理特性的最小單元，是能量的最基本攜帶者;一個(gè)物理量如果存在不可分割的最小基本單位，那么這個(gè)物理量是量子化的。而量子通信則是結(jié)合量子物理學(xué)和密碼學(xué)，利用量子態(tài)的物理性質(zhì)提供絕對(duì)安全保障的通信方式。

　　量子通信之所以安全有保證，主要是因?yàn)榱孔恿W(xué)具有三大基本原理：測(cè)不準(zhǔn)原理、不可克隆原理、糾纏態(tài)原理。

　　測(cè)不準(zhǔn)原理，即海森堡不確定性原理。與粒子的位置和動(dòng)量可以同時(shí)取確定值所不同的是，受粒子波動(dòng)性的影響，兩個(gè)非對(duì)易的量子不可能同時(shí)被精確測(cè)量。測(cè)不準(zhǔn)原理，使得對(duì)任何量子傳輸進(jìn)行監(jiān)聽、監(jiān)測(cè)的目的都會(huì)落空。

　　不可克隆原理，是指量子態(tài)不同于經(jīng)典狀態(tài)，它非常脆弱，任何測(cè)量都會(huì)改變量子態(tài)本身，傳輸過(guò)程中如果有第三方克隆某個(gè)量子態(tài)，那么該量子態(tài)就會(huì)被毀滅，因此一個(gè)未知的量子態(tài)是無(wú)法被精確克隆的。不可克隆原理，有效杜絕了非法分子通過(guò)克隆復(fù)制信息的可能。

　　量子的糾纏態(tài)原理相對(duì)來(lái)說(shuō)較為復(fù)雜，它是指在微觀世界里，不論兩個(gè)量子間距離多遠(yuǎn)，都會(huì)產(chǎn)生“心電感應(yīng)”，一個(gè)量子的變化都會(huì)影響另一個(gè)量子。例如，兩個(gè)量子A和B有“0”和“1”兩個(gè)狀態(tài)，如果A處于“0”的狀況，那么就可以判定B處于“1”的狀況。這種跨越空間能夠瞬間影響雙方的量子糾纏，曾經(jīng)被愛因斯坦稱為“詭異的互動(dòng)性”，它是量子力量最為神秘的特點(diǎn)之一。

　　量子通信的加密原理總結(jié)起來(lái)有如下兩方面：一是不依賴于傳統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜性，而是基于量子力學(xué)中的海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理和不可克隆定理等基本原理;二是利用光子的量子態(tài)作為密鑰或者是信息本身的載體，收發(fā)雙方可以通過(guò)量子測(cè)量的方法檢測(cè)出這些光子在傳輸過(guò)程中是否遭到了竊聽者的截獲，一旦確認(rèn)遭到竊聽則丟棄所傳輸?shù)拿荑€或信息，從而確保過(guò)程的安全。

　　量子通信出現(xiàn)兩大應(yīng)用分支

　　基于量子力學(xué)的三大原理，目前在量子通信方面出現(xiàn)了兩大應(yīng)用分支，一個(gè)是量子密鑰分發(fā)，二是量子隱形傳態(tài)。

　　量子密鑰分發(fā)技術(shù)是把密鑰編碼在量子態(tài)上，利用量子力學(xué)原理通過(guò)量子信道傳輸于發(fā)送者和接收者之間，用于保密通信雙方之間建立和傳送密鑰，而經(jīng)密鑰加密后的消息密文仍然通過(guò)傳統(tǒng)信道傳輸。

　　目前量子密鑰分發(fā)比較著名的理論方案有BB84方案、B92方案和E91方案。其中BB84方案采用4個(gè)量子態(tài)和兩組正交的測(cè)量基，發(fā)送方隨機(jī)選擇量子態(tài)發(fā)送，接受方隨機(jī)選擇測(cè)量基測(cè)量。等發(fā)送和測(cè)量一組數(shù)據(jù)后，接受者告訴發(fā)送者每次他使用的是哪個(gè)測(cè)量基，由于發(fā)送者清楚地知道自己發(fā)送了哪些態(tài)，因此他也知道接受者選錯(cuò)了測(cè)量基還是選對(duì)了測(cè)量基，它通過(guò)公開信道告訴接受者保留哪些選對(duì)了的測(cè)量基結(jié)果。

　　B92方案采用兩個(gè)非正態(tài)實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)，簡(jiǎn)化了BB84方案的過(guò)程，B92方案中通信雙方不用通過(guò)對(duì)比測(cè)量基就能知道保留哪些結(jié)果，簡(jiǎn)化了通信過(guò)程，但是傳輸效率下降了一半，有75%的結(jié)果都被拋棄，因此從實(shí)際應(yīng)用的角度看BB84方案更為廣泛。

　　E91方案將一對(duì)相互糾纏的粒子分別發(fā)送給收發(fā)雙方，讓他們分別對(duì)其測(cè)量，當(dāng)兩個(gè)人選取的測(cè)量基一致時(shí)，A端可以通過(guò)自己的測(cè)量結(jié)果推測(cè)出B端的測(cè)量結(jié)果，從而在二者之間建立起相同的密鑰，這就是糾纏態(tài)能用于數(shù)據(jù)傳遞的原理。如果存在竊聽者，根據(jù)測(cè)量坍縮原理，他的測(cè)量行為一定會(huì)破壞量子的糾纏，因此對(duì)安全性的檢驗(yàn)就轉(zhuǎn)化為了對(duì)糾纏的檢驗(yàn)。與BB84和B92方案相比，E91方案能夠提供更高的安全性，但是驗(yàn)證過(guò)程較為繁瑣，傳輸效率低。

　　量子隱形傳態(tài)則是一種利用量子安全特性進(jìn)行直接通信的方式。與量子密鑰分發(fā)的根本性區(qū)別在于，量子隱形傳態(tài)過(guò)程中，通信雙方不需要事先生成密鑰，而是通過(guò)直接建立量子信道的方式進(jìn)行通信，即直接完成秘密信息的安全傳輸，而無(wú)需進(jìn)行使用密鑰的加密和解密處理。量子隱形傳態(tài)的安全性也是基于量子不可克隆原理、量子測(cè)不準(zhǔn)原理，以及糾纏粒子的關(guān)聯(lián)性和非定域等。總體而言，量子隱形傳態(tài)還處于基礎(chǔ)研究階段。

　　我國(guó)位于研發(fā)應(yīng)用前列

　　1982年，法國(guó)物理學(xué)家艾倫·愛斯派克特成功完成了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)微觀粒子“量子糾纏”的現(xiàn)象確實(shí)存在;1993年，美國(guó)科學(xué)家C.H.Bennett提出了量子通信的概念，同年6位來(lái)自不同國(guó)家的科學(xué)家，基于量子糾纏理論，提出了量子通信最初的基本方案，由此開啟了量子通信從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的新階段。

　　在產(chǎn)業(yè)化階段中，中國(guó)走在了前列。從上世紀(jì)八十年代開始，中國(guó)科技大學(xué)的郭光燦院士已經(jīng)開始系統(tǒng)地研究量子光學(xué)及其行業(yè)。1997年，在奧地利留學(xué)的中國(guó)青年學(xué)者潘建偉與荷蘭學(xué)者波密斯特等人合作，首次實(shí)現(xiàn)了未知量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸。這是國(guó)際上首次在實(shí)驗(yàn)室成功地將一個(gè)量子態(tài)從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實(shí)驗(yàn)中傳輸?shù)闹皇潜磉_(dá)量子信息的“狀態(tài)”，作為信息載體的光子本身并不被傳輸。

　　2000年左右，中科大以郭光燦和以潘建偉為首的兩個(gè)團(tuán)隊(duì)在量子通信研究上已經(jīng)取得了很好的科研成果，但這些成果都處于前期的試用階段。2009年國(guó)慶閱兵儀式上使用了量子通信加密設(shè)備，國(guó)家也開始給予重大支持，量子通信研究成果得到肯定。而2013年開始京滬干線的建設(shè)，則意味著量子通信在我國(guó)進(jìn)入加速發(fā)展的狀態(tài)。

　　量子通信在國(guó)內(nèi)最具標(biāo)志性的事件，是2016年8月16日凌晨我國(guó)發(fā)射人類歷史上第一顆用于量子通信研究的“墨子號(hào)”，該衛(wèi)星將配合多個(gè)地面站實(shí)施星地量子密鑰分發(fā)、星地量子糾纏分發(fā)和地星量子遠(yuǎn)程傳態(tài)等量子通信領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)。“墨子號(hào)”的成功研制并發(fā)射，使得中國(guó)進(jìn)一步擴(kuò)大了在量子通信領(lǐng)域的世界領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

　　除了“墨子號(hào)”之外，我國(guó)已經(jīng)建設(shè)了合肥城域網(wǎng)、蕪湖量子通信網(wǎng)、山東量子通信網(wǎng)、京滬干線、滬杭干線、上海通信網(wǎng)等量子通信試驗(yàn)網(wǎng)，量子通信這一“黑科技”正從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)模應(yīng)用，標(biāo)志著我國(guó)已然走在了世界量子通信領(lǐng)域發(fā)展前列。