“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星

8月16日1時(shí)40分，我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射升空。此次發(fā)射任務(wù)的圓滿成功，標(biāo)志著我國(guó)空間科學(xué)研究又邁出重要一步。

那么，量子衛(wèi)星到底是用來(lái)做什么的？我們?cè)撊绾稳フJ(rèn)識(shí)它呢？一起來(lái)看看科學(xué)家是如何解釋的吧！

量子衛(wèi)星上天啦

量子衛(wèi)星是中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)的第三顆星

新聞上說(shuō)：

“量子衛(wèi)星將完成包括星地高速量子密鑰分發(fā)、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)、星地量子糾纏分發(fā)以及地星量子隱形傳態(tài)等多項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。”

等一等，讓我們先講個(gè)故事。

1994年， 一篇可能是數(shù)學(xué)史上最短的數(shù)學(xué)論文問(wèn)世了。文章的內(nèi)容僅是一個(gè)乘法算式：

為什么這篇論文如此重要

為什么這篇論文如此重要？

因?yàn)樗平饬薘SA129位數(shù)的密碼。

RSA是目前仍被認(rèn)為最有影響力的公鑰加密算法。

1977年，美國(guó)的三位科學(xué)家：

羅納德·李維斯特（Ron Rivest）

阿迪·薩莫爾（Adl Shamir）

倫納德·阿德曼（Leonard Adleman）

一起提出了用于數(shù)據(jù)加密的RSA公鑰加密算法。

它的可靠性基于一個(gè)數(shù)學(xué)難題：

兩個(gè)質(zhì)數(shù)的乘積計(jì)算非常簡(jiǎn)單， 但把乘積因式分解非常困難。數(shù)越大，越難解。

他們?nèi)私o出了上面提到的129位數(shù)， 并聲稱如果有人解出這個(gè)數(shù)是哪兩個(gè)質(zhì)數(shù)相乘， 那就可以獲得隱藏在其中的神秘信息（破譯密碼）。

加密時(shí)，我們把要發(fā)送的信息（密碼學(xué)里將信息的原文叫做“明文”），通過(guò)一些變換法則和某些重要的參數(shù)，變成看起來(lái)毫無(wú)意義的亂碼（“密文”）。接收信息的人，再通過(guò)重要參數(shù)和變換法則還原出信息的本來(lái)面目。

這些重要的參數(shù)，就是密鑰。

信息加密的過(guò)程和我們平時(shí)鎖東西差不多。

即使在密文傳遞過(guò)程中，黑客盜取了密文，如果沒(méi)有重要的參數(shù)密鑰，他也無(wú)法還原出明文。 。

人類一直使用對(duì)稱密鑰來(lái)加密信息。一直到1976年，這都還是唯一的公開(kāi)加密法。對(duì)稱密鑰很好用，不過(guò)密鑰的分發(fā)和保存是個(gè)大問(wèn)題！

非對(duì)稱密鑰的發(fā)明，解決了密鑰在運(yùn)輸過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。

非對(duì)稱密鑰又稱公開(kāi)密鑰加密

1977年，科學(xué)家又提出了RSA公鑰加密算法，就是我們上面提到的算法。

多個(gè)發(fā)送方可以通過(guò)同一把鑰匙A把明文加密，接收方只需要用另一把鑰匙B把密文解密。

這樣，用來(lái)解密的鑰匙始終保留在接收方手里，不用擔(dān)心鑰匙運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題，很方便。

非對(duì)稱密鑰的安全性取決于計(jì)算安全性。

然而隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的增強(qiáng)，基于計(jì)算安全性的密碼不再堅(jiān)固！

如果量子計(jì)算機(jī)研制成功，基于算法的密鑰將無(wú)密可保！

面對(duì)量子計(jì)算機(jī)，世界上沒(méi)有安全的密碼了嗎？

科學(xué)家想起了一種對(duì)稱密碼

一次一密的方法和其他對(duì)稱密鑰一樣，密碼運(yùn)輸、保管的成本太高。一直被認(rèn)為過(guò)于理想化，而被人們擱置不用。

隨著量子力學(xué)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)利用量子力學(xué)的基本原理，既可以輕松實(shí)現(xiàn)一次一密，又能保證密鑰分發(fā)過(guò)程絕對(duì)安全。

量子衛(wèi)星將量子密鑰發(fā)送給兩個(gè)地面站，再通過(guò)比對(duì)，建立最終的絕對(duì)安全的量子密鑰。

擁有相同量子密鑰的兩個(gè)站，可以把使用量子密鑰加密的信息，通過(guò)郵件、互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線電話等經(jīng)典的方式傳遞，而不用擔(dān)心信息會(huì)泄露。

在量子通信里面，信號(hào)傳播的載體都是單個(gè)的光子，不能被放大。這是量子力學(xué)自身的特性決定的。

在大氣或光纖中傳播，光信號(hào)會(huì)衰減。傳播到100多千米的時(shí)候，信號(hào)基本上衰減差不多了，所以量子通信的距離受到很大限制。想傳輸?shù)酶h(yuǎn)，需要不斷建立更多的中繼站。

發(fā)射量子衛(wèi)星，光信號(hào)僅通過(guò)10千米左右的大氣層，信號(hào)衰減很少。可以將通信范圍擴(kuò)展到全球距離。

量子衛(wèi)星除了配鑰匙這個(gè)工作外，還會(huì)進(jìn)行多個(gè)量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)，包括史上最遠(yuǎn)距離的量子糾纏分發(fā)來(lái)檢驗(yàn)貝爾不等式，進(jìn)一步驗(yàn)證量子力學(xué)的正確性。此外，另外一種直接傳輸量子比特的量子通信方式—量子隱形傳態(tài)，也是實(shí)驗(yàn)的主要目的之一。

（本文摘編自“中科院之聲”微信公眾號(hào)）