量子通信：人類未來信息安全的「護衛艦」

知識 08-23

量子通信：人類未來信息安全的「護衛艦」

2016-8-23 07:58:28

當無人駕駛汽車正在行駛，遠程指揮信號突然被截獲、篡改怎麼辦？當你向家中的機器人發出無線指令，信號被破解、扭曲怎麼辦？在當前信息科技走向智能化、更深入人類生活的時代，「無條件安全」的量子通信出現正當其時。

量子通信為何有這麼大的「神通」？讓我們從量子的概念說起。

量子，是最小的、不可再分割的能量單位。我們中學物理書上學到的分子、原子、光子、電子，其實都是量子的不同表現形式。所以也可以說，我們的世界都是由量子組成的。而我們每個人，都是「24K」純量子產品。

與以牛頓力學為代表的經典物理世界不同，在微觀量子世界，有著常人難以理解的運行法則。量子如同一個「小妖精」，具有量子態疊加、量子測不準、不可克隆、量子糾纏等匪夷所思的特性。世界著名物理學家、諾貝爾獎獲得者玻爾曾說過：「誰要是第一次聽到量子理論時沒有感到困惑，那他一定沒聽懂。」

首先是量子態疊加。在經典世界裡，物體在某一時刻有著確定的狀態、確定的位置，但量子卻同時處於多種狀態和位置的疊加。

奧地利物理學家薛定諤曾用一隻貓來比喻量子態疊加：箱子里有一隻貓，在經典世界中它要麼是活的，要麼是死的。但在量子世界中，它同時處於生和死兩種狀態的疊加。量子又像會「分身術」的孫悟空，可以同時身處於花果山、五行山下和取經路上。

但是，當有人打開箱子「看」薛定諤那隻貓，它就變成一種確定的狀態了，要麼活，要麼死。而當唐僧發出召喚：「悟空，你在哪裡？」孫悟空就會確定的出現在一個地方。――這就是量子的第二個特性：「測不準」。也因此引申出量子的另一個特性：「不可克隆」，它的未知狀態是無法被精確複製的。

除了「分身術」，量子還會「心靈感應」：量子糾纏。如果兩個量子之間形成了「糾纏」關係，那麼無論相隔多遠，當一個量子的狀態發生變化，另一個量子也會「瞬間」發生相應變化。愛因斯坦曾把這一現象稱作「詭異的互動性」。

我國物理學家潘建偉曾用「量子骰子」來比如量子糾纏態。「如果有兩個『量子骰子』之間形成了糾纏態，我和北京的一個朋友各拿一個骰子，那麼無論他怎麼擲骰子，我在合肥都能立馬猜出骰子擲出的數字。」他說。

如果看到這裡，你還是沒有看明白。那不怪你，連愛因斯坦也對量子的特性「糾結」了好多年，為此和他的物理學哥們玻爾多次「撕逼」。

可以說，量子的這些奇異特性，完全顛覆了人們對經典物理世界的認知。但從上世紀以來，這些特性已被科學界多種方法驗證，也為基於這些特性開展創新應用帶來了可能，比如量子通信。

在現在所處的信息時代，我們的信息傳輸加密主要依賴於演算法，但無論演算法設計得多麼複雜，計算機總能通過「運算」來破解，只是耗時長短問題。

但由於量子具有「不可分割」、「測不準」、「不可克隆」等特性，科學家近年來開發出了一種原理上絕對安全的量子通信。

首先，由於「不可分割」，竊聽者無法分割出「半個量子」進行測量；其次，因為測量必然會改變數子的狀態，竊聽者也不能截取量子後測量狀態，因為這樣竊聽行為就會暴露；第三，因為未知的量子態是無法被精確複製的，竊聽者即使截取了量子，也不能通過複製量子狀態來竊聽信息，得到的只能是「亂碼」。

就這樣，量子通信可以從原理上確保身份認證、傳輸加密以及數字簽名等的無條件安全，從根本上、永久性解決信息安全問題。目前，量子保密通信已經步入產業化階段，開始保護我們的信息安全。

而今年8月16日凌晨發射的量子科學實驗衛星，將在更遼遠的太空層面對量子特性進行檢驗。衛星將發出一連串的量子信號，由地面上的實驗站進行接收和解碼。這也是人類歷史上首次嘗試在太空進行量子通信，如果取得成功，意味著建設全球化的量子通信網路在技術上成為可能。

按照中國的規劃，未來還將發射多顆量子衛星。到2030年左右，建成一個全球化的廣域量子通信網路。

現在，信息科技深入我們的生活，幾乎每個人都成為通信網、互聯網上的一個節點，衣、食、住、行、學都離不開信息服務。信息科技還在高速發展，無人駕駛、機器人等將在可預見的未來進入我們的生活，新興的量子通信也將成為保障信息安全的「護衛艦」。

（本版稿件除署名外，均由徐海濤、周琳采寫）

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