量子保密，完美无缺？

王煜

2017年8月10日，中国科学院宣布，“墨子号”量子科学实验卫星用1年时间提前实现了既定2年完成的科学目标；和“墨子号”共同得到关注的，还有随后正式投入使用的量子通信骨干网络“京沪干线”。它们共同标志着我国在量子通信领域的研究在国际上达到全面领先的优势地位，其中就包含了听起来引人入胜的“绝对安全”的量子保密技术。

它，真的有那么神吗？

为什么“绝对安全”？

需要明确的是：密码学和量子技术两者各自包含的内容都很丰富，目前人们讨论的已经可以开始实际运用的，只是量子技术在“密钥分配”这个具体的分支上的作用。

密码学中所谓“绝对安全”，并非是一般的字面意思，而是一个数学术语，它的含义是：即使他人截取了密文，也无法破译出明文。美国数学家、电子工程师和密码学家，被誉为信息论的创始人克劳德·香农证明了一个数学定理——密钥如果满足以下三个条件，那么密钥就可以是“绝对安全”的：一、密钥是一串随机的字符串；二、密钥的长度跟明文一样，甚至比明文更长；三，每传送一次密文就更换一次密钥，即“一次一密”。

“绝对安全”的前两个条件已经在一定程度上被传统的加密技术满足，而“一次一密”是最难广泛推行的，因为这种方式需要通信的双方不断地更新密钥，并且分发给对方，成本较高。而量子密钥分配可以解决这个问题。

在量子密钥分配中，密钥并不是预先就有的，而是在双方建立通信之后，通过双方的一系列操作产生出来的。利用量子力学的特性，可以使双方同时在各自手里产生一串随机数，而且不用看对方的数据。如果确定对方的随机数序列和自己的随机数序列是完全相同的，这串随机数序列就被用作密钥。量子密钥的产生过程，同时就是分发过程。量子密钥是一串随机的字符串，长度可以任意长，而且每次需要传输信息时都重新产生一段密钥，这样就完全满足了香农定理的三个要求，是“绝对安全”的。

另一方面，量子加密也可以让通信的甲乙双方比较容易地知道密钥在传输的过程中是否被窃听。

窃听者骗取量子密钥有两种策略：一是将甲发来的量子比特进行克隆，然后再发给乙方。但量子的不可复制性确保窃听者无法克隆出正确的量子比特序列，因而也无法获得最终的密钥。另一种策略是窃听者随机地测量每个量子比特所编码的随机数，然后将测量后的量子比特冒充甲方的量子比特发送给乙方。但按照量子力学理论，测量必然会干扰量子态，因此这个“冒充”的量子比特与原始的量子比特可能不一样，这将导致甲乙双方各自得到的随机数序列出现误差。他们经由随机比对，只要发现误码率异常地高，便知有窃听者存在，判断这样的密钥不安全，换用新的密钥。只有当他们确认密钥无窃听者存在，才使用它进行加密通信。而接下来的通信方式就跟传统的手段完全相同了。

总之，量子保密通信的全过程包括两步。第一步是密钥的产生和分发，这一步用到量子力学的特性，需要特别的方案和设备。第二步是密文的传输，这一步就是普通的通信，可以利用任何现成的通信方式和设施。目前，量子保密通信所有的奇妙之处都在第一步上，而并不是在于传输信息本身，所以它又被叫做“量子密钥分发”。

“墨子号”和“京沪干线”的突破

量子密钥分发用到的是处于量子纠缠态的光子，而现实中，纠缠的光子是很脆弱的，不容易保存和传输。要解决这个问题，需要持续的科研和技术突破。

最初，纠缠光子的传输距离只在实验室里的两个容器之间，后来发展到几十米、几百米、几公里，之后在很长一段时间内，量子密钥安全传输距离只有10公里的量级，因此学术界曾经认为量子加密术基本已经到到达极限了。然而，2003至2005年期间，中国和韩国科学家发展出了新的通信协议，使得安全传输距离可以提高到百公里的量级。从此之后，量子加密术蓬勃发展，而中国获得了领先地位，大部分的新纪录都是中国科学技术大学潘建伟领衔的的研究团队创造的。

2016年8月16日，“墨子号”量子衛星上天时，光纤中的安全传输距离已经超过了200公里。2016年11月，中国科学技术大学、清华大学、中科院上海微系统与信息技术研究所、济南量子技术研究院等单位合作，又把安全传输距离提高到了404公里，而且在102公里处的安全成码率已经足以保证安全的语音通话。

百公里级别的量子加密范围，对于一个城市内部的通信来说已经足够，我国也确实在合肥、芜湖、北京、上海、济南等地的城市内部建设了实验性的量子政务网。但要超出这个区域，就要靠新的方式。

潘建伟表示：在城市范围内，通过光纤构建城域量子保密通信网络是最佳方案。但要实现远距离甚至全球量子保密通信，仅依靠光纤技术是远远不够的。

他解释说，因为光子在光纤里传播100公里之后大约只有1‰的信号可以到达最后的接收站，所以光纤量子保密通信达到百公里量级就很难再突破。但光子穿透整个大气层后却可以保留80%左右，再利用卫星的中转，就可以实现地面上相距数千公里甚至覆盖全球的广域量子保密通信。

2005年，潘建伟团队实现了13公里自由空间量子纠缠和密钥分发实验，证明光子穿透大气层后，其量子态能够有效保持，从而验证了星地量子通信的可行性。近几年开展的一系列后续实验都为发射量子卫星奠定了技术基础。

“墨子号”发射升空后，在世界上首次实现了卫星和地面之间的量子保密通信。在2017年9月29日的新闻发布会上，中国科学院院长白春礼就通过“墨子号”与奥地利地面站进行了量子加密通信，与奥地利科学院院长安东·塞林格进行了世界首次洲际量子保密通信视频通话。endprint