由量子密鑰分發，能完全完全量子通信，計算機，雷達等應用？

「隨著大眾越來越依賴網路技術，他們也變得更容易受到網路攻擊，這可能導致個人財產和信息受到侵害。未來，信息傳達過程的安全性和可靠性會有越來越高的要求，新興量子技術將保護我們的業務功能和信息資產免受網路威脅」，對於量子通信的價值，歐洲電信標準化協會主席西蒙路希克斯這樣表示。

近期，中國科學院對外宣布，「墨子號」量子科學實驗衛星提前且實現三大既定科學目標，並稱「這標誌中國率先掌握了星地一體廣域量子通信網路技術，為未來引領世界量子通信技術發展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了科學與技術基礎」。

量子計算機的快速發展對當前使用的傳統密碼體制提出了挑戰。量子安全是指能夠抵禦量子計算機攻擊的安全要求。實現量子安全的密碼技術有兩支，一支是應用以物理規律保障安全的量子密鑰分發技術，並結合對稱加密技術，實現可證明的量子安全體系；另一支是抗量子計算密碼技術，其延續傳統公鑰密碼體制的理念，尋找可以抵禦量子計算破解的新型數學問題，在此基礎上構建新的公鑰密碼體制。

量子密鑰分發技術的原理是以量子物理中測不準原理、量子不可克隆定律、量子不可分割定律等作為安全保障的，由於這些物理原理和定律保證量子信號不能被分割和複製，量子信息不會被竊聽，從而保障所分發密鑰的機密性。

量子密鑰分發技術從理論上說具有長期的安全性。只要量子物理定律成立，那麼量子密鑰分發就是安全的。而抗量子計算密碼技術則是相對的安全，只是目前還沒有找到能夠破解這一類密碼的量子演算法，將來如何還是不確定的。

但量子密鑰分發需要重新建立一套專用的硬體設備和量子通信的網路，相比軟體系統成本高得多。而抗量子計算密碼技術基於現有的計算和通信技術就可以實現，實施相對簡便和靈活。

量子只是現代物理的一個概念。先來簡述下它的概念。

量子一詞來自拉丁語quantus，意為「有多少」，代表「相當數量的某物質」。最早是由德國物理學家M·普朗克在1900年提出的。他假設黑體輻射中的輻射能量是不連續的，只能取能量基本單位的整數倍，從而很好地解釋了黑體輻射的實驗現象。後來的研究表明，不但能量表現出這種不連續的分離化性質，其他物理量諸如角動量、自旋、電荷等也都表現出這種不連續的量子化現象。

自從普朗克提出量子這一概念以來，經愛因斯坦、玻爾、德布羅意、海森伯、薛定諤、狄拉克、玻恩等人的完善，在20世紀的前半期，初步建立了完整的量子力學理論。絕大多數物理學家將量子力學視為理解和描述自然的基本理論。作為理論來說，它歷經百年發展，是可以闡述和解釋的，所以量子理論是真的。

但說到量子本身，如果它作為一種物質來說它是真的還是假的，就有點複雜。

迄今為止，量子只建立在理論上，人類迄今為止還無法用顯微鏡直接觀測量子，而是需要藉助其他觀測方法及理論推論來證明它的存在，並且很多觀測到的現象還自相矛盾或充滿神秘，無法用統一的理論來完全解釋。從這一點來說量子理論至今還只是一個走在探索路途中的理論，它的理論基礎比相對論要脆弱。相對論迄今有很多宏觀和微觀的物理現象來驗證和應用，比如光速，比如核聚變核裂變，比如最近的引力波，相對論框架下的各種物理現象迄今已經基本都得到了驗證。它和以牛頓為代表建立的經典傳統物理理論一樣經得起考驗，所以相對論在目前的認識下基本可以認為是正確的。

但量子力學，我們迄今證明了包括光的波粒二重性，光電效應，量子態糾纏等等。但很遺憾，我們只是從這些實驗結果來反推和描述量子的特性，卻無法觀測到量子，這使得這個理論存在一個空中樓閣的嫌疑。隨著科技的發展，量子理論仍存在兩種可能，一種是新發現繼續證明量子力學的正確性，一種是新的發現使得現在的量子力學理論需要重構。從這個意義上來說，量子既是真的，又是假的。

這個問題的後半段，至今充滿了爭議。我國目前已經發射了墨子號量子通訊衛星，進行了量子隱形傳態實驗的驗證，實現了與歐洲之間的量子通訊，開通了量子通訊「京滬幹線」，製造出了光量子計算機等等一系列理論上可以說走在世界先列的成就。但這一切成就，均和一個人的名字綁定在一起，就是潘建偉院士。他既然當選院士，就說明在國家層面已經是認可他的，而且量子通訊衛星，京滬幹線等項目，可以說是以舉國之力來支持。潘建偉可以說成就非凡，前無古人。

但奇怪的是，網路上不斷的有人對此提出質疑，甚至包括很多專業的科學家，質疑的焦點是:1.量子理論至今沒有定論，怎麼就可以應用了?2.走在世界先列的這些發明，國內名氣很大，國外卻得不到認可，到底是真的還是假的？

這讓這一切蒙上一層迷霧。但是，這就不是我們這些賣弄舶來知識的門外漢可以一探究竟的了。我們還是要不斷拭目以待，時間總有一天會證明這些事件的真相。

已經成功發射的「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。

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。

天宮二號的軌道飛行高度大約為400多公里，飛行速度約每秒鐘8公里，地面站的接收口徑約一米。用來生成量子密鑰的光子需要精準地打在地面站的望遠鏡上（編者註：就在十多天前，我國發射的第一顆量子實驗通訊衛星——「墨子」號實現了第一次天地對話）。

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。

這方面是興新科學，在網上學來的前段時間我談過，原子是有原子核，電子與量子依付原子核是不可缺的，現在量子科學應用它相互糾纏的原理，電子和量子相互作用，人們選擇性應用量子發射在空中衛星上，保密性，安全性和速度上都優於電子，如學習有誤，請專家糾正。肯定要用上面的各個領域，目前美國正在研究，俄羅斯才開始沒想，網路上是公開事實，可核心的東西處於保密，事實的公開廠轟動歐美

量子是真量子。雖然科學家還遠未能解釋其原理和本質，但已經可以利用其部分性質。現在發展的量子通信，是通過量子糾纏實現安全傳輸，理論上無法破解，是現存最安全的加密通信，但傳輸速度並不會更快，更別說什麼傳說中的超距了，相對論的光速限制仍然牢固。