解密「墨子號」量子通訊衛星
2016年8月16日，中國在酒泉衛星發射中心發射了全球首顆量子通訊衛星「墨子號」。這顆看似平淡無奇的量子通訊衛星，到底有什麼不同呢？且聽小編慢慢道來。
我們知道，「墨子號」量子通訊衛星，依靠的是量子密鑰技術傳輸信息。那麼，量子密鑰技術就一定能夠保證通信信息的安全嗎？答案是肯定的。因為量子密鑰技術是利用「單量子不可克隆」定理來實現的。
量子密鑰技術的基本原理
用於傳輸信息的光量子有四種偏振可能（垂直、水平、左旋、右旋），其信息傳輸與接收的基本原理，我們可以通過下面這張圖進行簡單地說明。
圖中的黃色小球代表單個光子，黑色箭頭代表光子的偏振方向，藍色區域代表信息發送方，而綠色區域代表信息接收方。信息發送方有上下、左右、上左下右、上右下左4種不同的偏振濾色片。信息接收方只有兩種偏振濾色片，分別是上下左右開縫的「＋」字式和斜交開縫的「×」字式。
發送信息時，發送方通過選擇不同的偏振濾色片得到不同偏振方向的光量子，而接收方對於要接收的光量子的偏振方向無法估計，所以只能隨機選擇這兩種偏振濾色片的一種。如果接收方使用了「＋」字式濾光片，上下或者左右偏振的光量子可以保持原來的偏振狀態順利通過，而上左下右或者上右下左的光量子通過時偏振狀態就會改變。反之，如果接收方使用了「×」字式濾色片，那麼情況就會正好相反。四種偏振的光量子分別用「」和「1」來表示（如圖所示）。
接下來，就是密鑰產生的關鍵了。接收方通過公開信道（電子郵件或電話）把自己使用的偏振濾色片的序列告知發送方。發送方把接收方的濾色片序列與自己使用的序列逐一對照，並告知接收方哪幾次使用了正確的濾色片。如圖中打鉤的1、4、5、7、9，對應正確的濾色片接收到的光量子狀態的編碼是：00110。這組代碼就是信息發送方與接收方共享的密鑰。
量子密鑰技術的安全性
為什麼這種量子密鑰是無法被第三方截獲的呢？因為在光量子傳輸的過程中，第三方是無法預測接收的光量子偏振狀態的。如果想截獲量子密鑰信息，就一定要在中途插入偏振濾色片來確認。一旦使用錯誤的濾色片，就會改變光量子的偏振狀態，竊聽行為就會曝光。那麼，第三方如果能截獲發送方和接收方在公開信道上的交流，結果是不是會造成泄密呢？答案也是不會的。
以上圖中第1列為例，即使第三方能夠確認接收方使用的是「＋」字式濾光片，而且也知道發送方確認是正確的。這樣第三方可以確認發送的光量子偏振方式是上下或者左右。但是上下和左右分別代表「1」和「0」，除了發送和接收的雙方清楚知道正確的代碼，第三方是無法知道的。在量子密鑰通信的過程中，通信雙方交換很長的光量子序列。得到確認的密鑰後，分段使用奇偶校驗核對，出錯段被認為是技術誤差或被竊聽，則整段予以刪除，留下的序列就是絕對可靠的共享密鑰。
量子通訊衛星的應用前景
通過以上量子密鑰技術的基本原理的解釋，相信大家對於量子通訊衛星的安全性已經有了一定的了解。如此安全的通信技術是不是僅能應用在國防方面呢？量子通訊衛星項目首席科學家潘建偉院士並不這樣看。他認為量子通信技術，除了應用於國防、金融、政務、科學研究方面，之後還會在大眾中廣泛應用。
根據個人判斷，潘院士給出了一個量子通信技術普及的「時間表」：5年左右很多機要部門開始用；10年左右金融業、銀行等大機構開始使用；15年左右或許就可以走進千家萬戶。屆時，每個人的家裡、手機上或許都會有一個量子加密晶元，銀行轉款、電子賬戶等的涉密操作，都不用擔心被盜用或者攻擊。
雖然「墨子號」成功發射，但從長遠來看，「要實現全球化量子通信還需要長期的努力，特別是需要多顆衛星的組網」，量子科學實驗衛星科學應用系統總師兼衛星系統副總師彭承志表示，「這條征途沒有盡頭」。因此，中國以開放的姿態歡迎全球合作。現在中國已經同意了奧地利放的合作請。德國和義大利也希望能夠加入到中國團隊的實驗中共同探索全球量子通信組網建設、「量子星座」建設。
「畢竟，科學也是面向全世界的，中國的量子衛星走在世界前列之後，可以引領整個學術界在這個方向開展研究，為人類貢獻中國智慧」，潘院士說。
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