人類能造出無法破解的密碼嗎

董瑞豐+徐海濤

量子通信給出的答案是——能

人類能造出不可破解的密碼嗎？量子通信給出的答案是——能。

向身處遙遠兩地的用戶分發量子密鑰，利用該密鑰對信息采用一次一密的嚴格加密，這是目前理論上不可竊聽、不可破譯的通信方式。中國科學院日前傳來最新消息：“墨子號”衛星上天一年，已提前完成既定科學目標，將“絕對保密”的量子通信從理論向實用化再次推進了一大步，并為我國未來繼續引領世界量子通信技術發展奠定堅實基礎。

千里糾纏、星地傳密、隱形傳態

8月10日凌晨，中國科技大學潘建偉、彭承志團隊聯合中科院上海技物所等單位宣布，“墨子號”在國際上首次成功實現了從衛星到地面的量子密鑰分發和從地面到衛星的量子隱形傳態。

這是繼2017年6月實現千公里級星地雙向量子糾纏分發和量子力學非定域性檢驗后，我國科學家利用“墨子號”實現的又兩項重大突破。

什么是量子密鑰？這得從量子特性和傳統信息加密技術的“瓶頸”說起。作為最小的、不可再分割的能量單位，量子具有不可克隆、“測不準”等特性。用量子做成“密鑰”來傳遞信息，竊聽必然會被發現，且加密內容不可破譯。

傳統的信息加密技術，依靠的是計算的“復雜性”，但隨著數學和計算能力的飛速提升，再復雜的加密算法也“很快”會被破解。基于“量子密鑰”的量子通信，則是一種“原理上無條件安全”的通信方式，也為破解信息加密“瓶頸”提供了解決方案。

2016年8月升空的全球首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，為通過太空“量子傳密”提供了可能。實驗表明，在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比地面光纖信道高1萬億億倍，衛星平均每秒發送4000萬個信號光子，一次實驗可生成300千比特（kbit）的密鑰，平均成碼率達1.1千比特/秒（kbps）。

星地量子隱形傳態是“墨子號”的另一個重大科學目標。“墨子號”過境時，與海拔5100米的西藏阿里地面站建立光鏈路，地面光源每秒產生8000個量子隱形傳態事例，從500公里到1400公里的距離向衛星發射糾纏光子。實驗表明，所有6個待傳送態均以大于99.7%的置信度超越了經典極限。

潘建偉院士說，至此，“墨子號”三大既定科學目標均成功實現，為我國未來繼續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，奠定了堅實的基礎。

為全球量子保密通信網絡奠定基礎

量子通信如何實現安全、長距離、可實用化，是最大的挑戰，全世界這一領域的科學家為之奮斗了幾十年。

最直接的方式是光纖傳輸。但由于量子很“脆弱”，用光纖傳輸的距離有限：量子通過地面光纖傳輸的損耗很大，也不能像傳統通信一樣進行“信號放大”。

“光信號經過外太空的損耗很小，可以擴展量子通信距離。”中科院上海技術物理研究所研究員、量子科學實驗衛星工程常務副總師王建宇說，同時，由于衛星具有方便覆蓋整個地球的獨特優勢，是在全球尺度上實現超遠距離實用化量子密碼和量子隱形傳態最有希望的途徑。

從本世紀初以來，這個方向就成為國際學術界激烈角逐的焦點，但難度也非常大。王建宇曾打過一個比喻：星地之間的量子聯通有多難？就好比在萬米高空往地面的一個存錢罐里扔硬幣，需要準確地將硬幣擲入儲蓄罐的狹小入口。

潘建偉團隊的研究一直走在世界前沿。對此次公布的成果，《自然》的物理科學主編卡爾·濟耶梅利斯用“非常興奮”來形容：研究團隊用相互糾纏的光子安全傳送了至關重要的量子密鑰，“量子密鑰是保障通信極高保密性的關鍵”。

“這一成果為構建覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了可靠的技術基礎。”潘建偉說，以星地量子密鑰分發為基礎，將衛星作為可信中繼，可以實現地球上任意兩點的密鑰共享，將量子密鑰分發范圍擴展到覆蓋全球。

“將衛星、地面站和城際光纖量子通信網互聯，可進一步構建覆蓋全球的天地一體化保密通信網。”潘建偉說。

量子隱形傳態雖然不是傳統意義上的“瞬間傳送”，但為未來開展空間尺度量子通信網絡研究以及空間量子物理學和量子引力實驗檢驗等研究奠定了可靠的技術基礎。“這些結果代表了遠距離量子通信持續探索中的重大突破”，《自然》雜志審稿人評價。

卡爾·濟耶梅利斯說，這兩篇論文的發表意味著潘建偉團隊順利完成了三項量子實驗的展示，這些實驗將會是全球任何基于空間的量子網絡的核心組成部分。

量子衛星聚合效應顯現

隨著“墨子號”的全部既定科學目標提前完成，這個項目畫上了一個圓滿句號，也開啟了全球化量子通信、空間量子物理學和量子引力實驗檢驗的大門。

潘建偉介紹，他的研究團隊正與歐洲量子通信團隊合作進行洲際量子密鑰分發，目前已順利完成和奧地利格拉茨地面站的對接測試，正在開展量子密鑰分發實驗，即將具備洲際量子保密通話的條件。德國、意大利等國的科研團隊也申請加入。

同時，研究團隊正在致力實現量子通信與經典光通信相融合的安全信息傳輸。換句話說，就是讓量子保密技術與目前使用的傳統通信網絡無縫鏈接。

未來的目標還有很多：構建完整的空地一體廣域量子通信網絡體系，形成具有國際引領地位的戰略性新興產業和下一代國家信息安全生態系統，探索對廣義相對論、量子引力等物理學基本原理的檢驗……

“墨子號”取得的系列成果，贏得巨大國際聲譽，聚合效應已經顯現。“標志著我國在量子通信領域的研究，在國際上達到全面領先的優勢地位。”中國科學院院長白春禮評價，為我國在國際上搶占了量子科技創新制高點，成為國際同行的標桿，實現了“領跑者”的轉變。

據了解，“墨子號”量子衛星是中科院空間科學先導專項在“十二五”期間支持的4顆科學衛星之一，另3顆衛星也都已成功發射。“悟空”暗物質粒子探測衛星、實踐十號返回式科學實驗衛星、“慧眼號”硬X射線調制望遠鏡衛星均獲得了大量科學數據，相關科學成果將陸續發布。

“通過這些項目的實施，力爭使我國在基礎科學研究領域實現更多的重大突破，同時帶動航天技術的發展，為將我國早日建成世界科技強國作出重要的、不可替代的貢獻。”白春禮說。