量子密码通信

第一节　量子密码通信

加密是保障信息安全的重要手段之一。当前最常用的加密技术是用复杂的数学算法来改变原始信息。这种方法虽然安全性较高，但也存在被破译的可能，并非绝对可靠。而量子密码术是一种截然不同的加密方法，它把量子状态作为信息加密和解密的密钥。任何想测算和破译密钥的人，都会因改变量子状态而得到无意义的信息，而信息合法接收者也可以从量子态的改变而知道密钥曾被截获过。世界上第一个量子密码通信网络于2004年6月3日在美国马萨诸塞州剑桥城正式投入运行。

科学家在进行量子密码通信研究

一、保 密 学

古希腊的斯巴达人将一张皮革包裹在特定尺径的棍子上，再写上要传递给他人的信息；而信息的接收者只要有根相同尺径的棍子，收到皮革后再将皮革裹到棍子上就可以读出原始信息。即便这张皮革中途被截走，只要对方不知道棍子的尺径，所看到的也只是一些零乱而无用的信息。这就是历史上记载的人类最早对信息进行加密的方法之一。

保密学研究的是改变消息和信号的形式以隐蔽和复现其含义的规律，而在保密学中着重研究消息的变形及其合法复现的学科称为密码学。经过两千多年的发展，现代密码学所采用的加密方法通常是用一定的数学计算操作来改变原始信息。这种改变信息的方法是密钥，掌握了密钥就可以将消息复原回来。

从理论上来说，传统的数学计算加密方法都是可以破译的，再复杂的数学密钥也可以找到规律。第一台现代计算机的诞生，就是为了破解复杂的数学密码。随着计算机的飞速发展，破译数学密码的难度越来越低。

20世纪下半叶以来，科学家在量子力学的不确定性原理和量子态不可克隆定理之上，逐渐建立了量子密码术的概念。

二、量子密码术

传统的加密系统，不管是对密钥技术还是公钥技术，其密文的安全性完全依赖于密钥的秘密性。密钥必须是由足够长的随机二进制串组成，一旦密钥建立起来，通过密钥编码而成的密文就可以在公开信道上进行传送。然而为了建立密钥，发送方与接收方必须选择一条安全可靠的通信信道，但由于截收者的存在，从技术上来说，真正的安全很难保证，而且密钥的分发总是会在合法使用者无从察觉的情况下被消极监听。

近年来，由于量子力学和密码学的结合，诞生了量子密码术，它可完成仅仅由传统数学无法完成的完善保密系统。量子密码术以量子状态为密钥。由于测量量子系统时通常会对该系统产生干扰，并产生出关于该系统测量前状态的不完整信息，因此任何对于量子信道进行监测的努力都会以某种检测的方式干扰在此信道中传输的信息。因而从理论上来说，用量子密码加密的通信不可能被窃听，安全程度极高。

首先想到将量子力学用于密码术的是美国科学家威斯纳。威斯纳于1970年提出，可利用单量子态制造不可伪造的“电子钞票”。但这个设想的实现需要长时间保存单量子态，不太现实。贝内特和布拉萨德在研究中发现，单量子态虽然不易保存但可用于传输信息。1984年，贝内特和布拉萨德提出了第一个量子密码术方案，称为BB84方案，由此迎来了量子密码术的新时期。

量子密码术以量子力学理论为基础

1992年，贝内特又提出一种更简单但效率减半的方案，即B92方案。量子密码术并不用于传输密文，而是用于建立、传输密码本。

三、量子密码通信

最初的量子密码通信利用的都是光子的偏振特性，目前主流的实验方案则用光子的相位特性进行编码。

目前，在量子密码通信实验研究上进展最快的国家为英国、瑞士和美国。英国于1993年首先在光纤中实现了基于BB84方案的相位编码量子密钥分发，光纤传输距离为10千米。到1995年，经多方改进，在30千米长的光纤传输中成功实现了量子密钥分发。与偏振编码相比，相位编码的好处是对光的偏振态要求不那么苛刻。在长距离的光纤传输中，光的偏振性会退化，造成误码率的增加。不过，瑞士日内瓦大学1993年基于BB84方案的偏振编码方案，在1.1千米长的光纤中传输1.3微米波长的光子，误码率仅为0．54%。他们于1995年在日内瓦湖底铺设的23千米长民用通信光缆中进行了实地表演，误码率也仅为3．4%。1997年，他们利用法拉第镜消除了光纤中的双折射等影响因素，使得系统的稳定性和使用的方便性大大提高，该方案被称为“即插即用”的量子密码方案。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室创造了目前光纤中量子密码通信距离的新纪录。他们采用类似英国的实验装置，通过先进的电子手段，以B92方案成功地在长达48千米的地下光缆中传送量子密钥，同时他们在自由空间里也获得了成功。1999年，瑞典和日本合作，在光纤中成功地进行了传输距离为40千米的量子密码通信实验。

在中国，量子密码通信的研究也是方兴未艾，中国科学院物理研究所于1995年以BB84方案在国内首次做了演示性实验。接着，华东师范大学用B92方案做了实验，但也是在距离较短的自由空间里进行的。2000年，中国科学院物理研究所与研究生院合作，在850纳米的单模光纤中完成了传输距离为1.1千米的量子密码通信演示性实验。

量子状态作为密钥具有不可复制性

四、量子态隐形传输

量子态隐形传输是一种全新的通信方式，它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息，是未来量子通信网络的核心要素。利用量子纠缠技术，需要传输的量子态如同科幻小说中描绘的“超时空穿越”，不需要任何载体携带，在一个地方神秘消失，又在另一个地方瞬间神秘出现。1997年，奥地利蔡林格小组在室内首次完成了量子态隐形传输的原理性实验验证。2004年，该小组成功将量子态隐形传输距离提高到600米。但由于光纤信道中的损耗和环境的干扰，量子态隐形传输的距离难以大幅提高。

2004年，中国科技大学潘建伟、彭承志等研究人员开始探索在自由空间实现更远距离的量子通信。在自由空间，环境对光量子态的干扰效应极小，而一旦光子穿透大气层进入外层空间，损耗更接近于零，这使得自由空间信道比光纤信道在远距离传输方面更具优势。从2007年开始，中国科技大学和清华大学的联合研究小组在北京八达岭与河北怀来之间架设了长达16千米的自由空间量子信道，并取得了一系列关键技术突破，最终在2009年成功实现了世界上最远距离的量子态隐形传输，证实了量子态隐形传输穿越大气层的可行性，为未来基于卫星中继的全球化量子通信网奠定了可靠基础。

量子通信实验