「天宮二號」科普來了（八）：天機不可泄露：量子密鑰分配

即將發射的「天宮二號」空間實驗室安排了地球科學觀測及應用、空間科學實驗及探測、應用新技術等領域的十餘項高精尖的任務，這些實驗有的是在探索宇宙最深處的奧秘，有的是幫助人們更好的認識海洋和大氣，有的甚至是在解決將來星際旅行時食物的問題…

如何「玩轉」這麼多高難度任務並保障它們有序、安全地運行下去呢？代表中國科學院牽頭負責的中國科學院空間應用工程與技術中心，承擔了「天宮二號」任務規劃、總體管理和技術集成工作。

接下來的一段時間裡，科學大院將帶大家一起了解這些「高大上」太空實驗的神奇之處…

今天我們來介紹滿足更遠距離量子保密通信的——量子密鑰分配專項！

自人類使用語言以來，通過密鑰給信息加密的技術就伴隨著人類對通信保密程度的需求而不斷發展。密鑰的作用就是用來對傳輸的信息進行加密，防止他人獲取信息內容。

在古埃及和古希臘時期，人們通過改變字母的順序對明文進行加密，隨後又發明了字母替換的加密方法，這種方法從古羅馬一直延續到中世紀和文藝復興時期。

中國古代也有信息加密方法，例如姜太公發明的「陰符」和「陽符」就是用敵方看不懂的暗語來傳遞我方軍事信息。

隨著科技革命的出現，古老的加密方式進入了全新的階段。摩爾斯電碼的發明，使得人們可以將每個字母都編碼在四個「嘀」和「嗒」的不同組合上面，通過電報或電波發送信息。

摩爾斯電碼

但即使到了這個時期，人類採用的加密方式依然是固定的，密鑰都是事先約定好的，只要敵方拿到「密鑰本」，就能輕易破解。

伴隨著科技革命的進一步發展，自動生成密鑰的機器出現了。這其中以德國發明的Enigma（英尼格瑪）機最為著名。

Enigma機

這種機器通過幾個旋鈕位置可以自動設置密鑰，加密後的情報需要同樣的Enigma機同樣的旋鈕位置才能解密出原文，即密鑰被隱藏在了機器裡面。

由於Enigma機難以破解，它對德國在第二次世界大戰初期的一系列軍事勝利都起到了至關重要的作用。因此，盟軍能否破解Enigma將直接決定戰爭走向。

提到Enigma機破解，英國數學家，計算機之父阿蘭·圖靈對此做出了至關重要的貢獻，他通過機器對機器的方式，大幅提高了破解效率，他的方法不但為盟軍贏得了第二次世界大戰，而且也啟發他發明了現代計算機。

圖靈和他的破解機

到了信息時代，密鑰的形式從字母變為了二進位。

隨著互聯網的大範圍普及，人類之間的信息傳遞達到了前所未有的數量和頻率，各種隱私信息越來越多地暴露在互聯網上，因此，人類對保密通信的需求也到了前所未有的高度。

今天保護我們互聯網信息安全的加密方式稱為「公開密鑰」密碼體系，其原理是通過加密演算法，生成網路上傳播的公開密鑰，以及留在計算機內部的私人密鑰，兩個密鑰必須配合使用才能實現完整的加密和解密過程。

目前我們互聯網使用的加密標準是20世紀70年代誕生的RSA演算法，即利用大數的質因子分解難以計算來保證密鑰的安全性。

公開密鑰加密

但是隨著計算能力的不斷提升，RSA的安全性受到了挑戰。

「山窮水盡疑無路，柳暗花明又一村」，1984年，物理學家Bennett和密碼學家Brassard提出了基於量子力學測量原理的「量子密鑰分配」BB84協議，從根本上保證了密鑰的安全性。

BB84量子密鑰分配協議示意圖

隨後經過多年的實驗和技術改進，以「量子密鑰分配」為核心的量子保密通信技術已經逐漸完成了實用化，並形成了一定的產業規模。

在地面光纖網路建設上，世界第一條量子保密通信主幹線路「京滬幹線」即將建成，這將大幅提高我國在軍事國防、銀行、金融系統的信息安全。

為了更遠距離的量子保密通信，我們除了繼續建設地面光纖網路以外，還需要藉助天上的多個飛行器，實現覆蓋光纖無法到達區域的量子密鑰分配。

天宮二號上的載荷「量子密鑰分配專項」就是以實現空地間實用化的量子密鑰分配為目標，通過天上發射一個個單光子並在地面接收，生成「天機不可泄露」的量子密鑰。

這精準程度就如同在一輛全速行駛的高鐵上，把一枚枚硬幣準確地投到10公里以外的一個固定的礦泉水瓶里，難度可想而知。

如果把光子比作硬幣，那麼光子的偏振方向就好比硬幣的偏轉角度。量子密鑰的安全性就來自這些偏轉角度。BB84協議就好比一共選取 「」、「」、「」、「」四個偏轉角度，並且都對應好二進位編碼。密鑰分配時，發射端和接收端都隨機用「+」和「×」兩種洞來讓硬幣通過。

BB84量子密鑰分配協議

扔一個硬幣，雙方就通過電話對比一下選的洞，留下洞一樣時扔的硬幣結果，就生成了二進位量子密鑰。

如果中間有人竊聽，竊聽者只能隨機的選擇「+」和「×」兩種洞。

測過硬幣角度後，如果他不想被發現，需要把硬幣再扔給接收方。但是這個硬幣已經被他測過了，會有一半的概率改變了角度。

此時，接收方再測，最後就會發現硬幣的測量結果和發送方有1/4的概率不同，就可以馬上知道有竊聽者的存在了。於是，發送方和接收方停止密鑰分發，換個地方重新來，直到確認沒有竊聽為止。

因此，只要是成功分配的量子密鑰，就一定是沒有被竊聽過的安全密鑰，即「天知地知你知我知」的密鑰，從而成功做到無法泄漏的天機。

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