漫畫 | 中國宣布建成量子通信京滬幹線，多家銀行銀監已啟用

（這是Sheldon的第56篇漫畫，所有圖片大約2.1MB。）

別看量子力學處處古怪，關鍵時候它能幫你保密呢。

2017年，由中科院領導、中國科學技術大學作為項目建設主體承擔，中國有線電視網路有限公司、山東信息通信技術研究院、中國科大先進技術研究院、中國銀行業監督管理委員會等單位協作建設的量子保密通信「京滬幹線」順利開通。

這是世界上首條全長2000公里級別的，能夠實現「天地一體化」的量子保密通信網路。

1.為什麼要搞量子保密通信？

網上買買買的時候你有沒有想過，

你的手機向銀行發起的交易信息，

真的安全嗎？

答案是暫時安全，

因為網路交易信息都經過了加密。

（即RSA加密）

要想破解RSA加密的密鑰，

就要把一個很大很大的數，

（例如一個1024位的大數）

用暴力方法分解成

兩個質數的乘積。

這個破解過程非常漫長，

用超級計算機太湖之光，

加上目前最優的演算法，

大概還是需要50年。

如果位數再增加幾位，

想要破解就得100年起了。

如果將來有了量子計算機，

運用量子計算的肖爾演算法，

別說1024位的密鑰了，

就連破解2048位的密鑰，

它都只需要幾秒鐘。

所以，

為了未來的信息安全，

許多國家需要研究和應用

量子保密通信技術。

2.什麼是量子保密通信？

量子保密通信說白了，

就是利用量子力學的幺蛾子性質，

先發送、後產生一組完全隨機的密鑰，

供通信雙方加密和解密時使用。

整個過程不可竊聽，

產生的密文不可破解，

在物理上是絕對安全的。

網上傳輸所有的信息時，

都要先把信息轉換成比特0和1。

假如你用傳統的方法，

在光纖中傳輸一段密碼，

就得用很多光子組成的脈衝表示1，

用沒有光子的空白狀態表示0。

這麼多光子在光纖中跑，

想要竊聽而不被發現，

一點兒也不難。

但是在量子保密通信中，

科學家表示0和1的方法，

是單個光子的偏振狀態。

比方說，

如果跑來一個0度偏振的光子，

我們就會接收到比特0；

如果跑來一個90度偏振的光子，

我們就會接收到比特1。

量子通信的科學家非常雞賊，

他們不但用0度和90度表示0和1，

還制定了一個奇葩的規定：

45度的光子也可以表示比特0，

135度的光子也可以表示比特1。

所以，

他們發送的0和1的序列，

必然隨機包含兩種類型的光子。

當一個45度偏振的光子，

跑到測量0度和90度偏振的

接收器面前時，

又會得到什麼結果呢？

量子力學中有個幺蛾子，

叫做量子疊加態。

簡單地說，

45度的偏振，

可以看作是0度和90度偏振的疊加。

但是，

接收器顯然不會

同時探測到0度和90度的偏振，

而是隨機得到其中一種結果：

要麼是0度偏振（比特0）

要麼是90度偏振（比特1），

兩種結果都有一定概率發生。

這就是量子力學的另一個幺蛾子：

「上帝擲骰子」！

所以，

我們得到一個經驗：

如果接收器和光子偏振方向不一致，

就無法接收到正確的比特。

只有接收器和光子偏振方向一致時，

才能接收到正確的比特。

假設有人不自量力，

非要在半路竊聽，

由於他不知道每個光子發出的方向，

就算他接收到了一堆比特，

其中也會有大量的錯誤。

如果他自作聰明，

把含有大量錯誤的比特，

重新發送出去。

接收方收到比特後，

發現錯誤很多，

自然會知道有人在竊聽！

所以，

量子保密通信

在通信的過程中不可竊聽。

當科學家產生和發送量子密鑰時，

他總是先隨機發射兩類光子，

接收方則會隨機擺弄接收器的方向，

這會導致很多光子的接收失敗。

然後，

科學家會和接收方通個電話，

交流一下哪些光子失敗，

哪些光子成功。

把失敗光子的比特統統刪除，

剩下的比特就組成了量子密鑰。

因為每串秘鑰都是隨機產生的，

由此加密的信息便統統不可破解。

3.如何建造量子通信的京滬幹線？

2016年8月，

我國發射了一枚量子實驗衛星，

這是通向量子保密通信的關鍵一步。

不過，

由於衛星並不在同步軌道上，

而是不斷在天上跑來跑去，

它不能24小時為我們提供服務，

所以，我們還要建造

地面量子通信系統：京滬幹線。

京滬幹線的建造方法，

看起來非常簡單。

就是用你上網用的光纖，

把量子通信收發裝置連起來。

由於在遠距離通信中，

單個光子很容易被光纖吸收或散射，

所以在京滬幹線上，

每隔一段距離，

就要建一個可信中繼站。

在可信中繼站之間，

量子密鑰會接力傳遞。

如果有敵人潛入了中繼站，

密鑰就有可能被竊聽。

但是，

相比經典通信的處處設防，

可信中繼的重點設防容易多了，

所以，

這種量子通信的實現方案，

在現有的技術手段下，

極大地提升了通信的安全性。

4.京滬幹線有什麼意義？

首先，

京滬幹線的建成，

服務了國家的戰略需求，

使我國在信息安全領域

達到世界領先水平。

其次，

京滬幹線吸引和培育了

量子通信的製造業和服務業。

其中的很多關鍵設備，

都是由中國企業自主研發和製造的。

例如，上轉換單光子探測器

用的鈮酸鋰波導晶元，

就是由濟南量子技術研究院

和山東量子科學技術研究院有限公司

共同研製的。

除此之外，中國企業還製造了

能夠快速產生大量量子密鑰的

GHz高速量子網關，

在接入站點進行大規模加密和解密的

密鑰管理機，

能夠擴展網路的光量子交換機，

還有能夠從一個區域網

接入另一個區域網的

量子VPN。

在京滬幹線的分階段建造中，

銀監會、地方銀監局和銀行，

就已經在各自的系統中，

嘗試應用量子保密通信了，

這會為量子通信的應用起到示範效果。

量子實驗衛星的發射，

和量子通信京滬幹線的建成，

標誌著中國正在努力成為，

下一代信息技術的「領跑者」。

量子通信應用的大幕，

正由中國和世界各地的科學家一起，

徐徐拉開。

美指：牛貓 | 繪製：賞鑒 | 排版：胡豆 | 鳴謝：周飛，袁驍，周自恆

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參考文獻：

1. 中國科學技術大學京滬幹線項目組提供的資料