喬 喻
飛行的“量子號(hào)”
喬 喻
2016年8月,我國(guó)發(fā)射了一顆“墨子號(hào)”衛(wèi)星,引來(lái)眾多關(guān)注。這是一顆什么衛(wèi)星呢?
特殊的通信需要保密,保密則需要密碼鑰匙。
傳統(tǒng)的密碼鑰匙就是信息的加密方式,因?yàn)樗驮蹅冮_(kāi)門(mén)用的鑰匙有相似功能,所以被稱(chēng)為密碼鑰匙。打個(gè)比方:甲想向乙傳輸1-2-3這段信息,先按照將每個(gè)數(shù)字都加3的方式向乙傳輸4-5-6,1-2-3就叫明文,4-5-6就叫密文,而每個(gè)數(shù)字都加3就是密碼鑰匙。發(fā)送者可用密碼鑰匙加密信息,接收者可用它來(lái)解密。
間諜獲得密碼鑰匙的方法很多,現(xiàn)在主要利用計(jì)算機(jī)獲取密碼鑰匙,就是利用計(jì)算機(jī)的超強(qiáng)信息處理功能,尋找密文信息的變化規(guī)律,規(guī)律就是加密方式。有了計(jì)算機(jī)這種機(jī)器助手來(lái)幫助破解密碼,幾乎是沒(méi)有破解不了的密碼鑰匙。比如1977年,數(shù)學(xué)家李維斯特給出了一個(gè)129位數(shù),要求把這個(gè)數(shù)分解成兩個(gè)質(zhì)數(shù)的乘積,做出這個(gè)結(jié)果,就等于掌握了密碼鑰匙,就能發(fā)現(xiàn)隱藏的信息。當(dāng)時(shí)李維斯特信心滿(mǎn)滿(mǎn)地宣稱(chēng),算出他的密碼鑰匙需要幾億億億億億(好多億)年。誰(shuí)知17年之后,600名密碼破譯愛(ài)好者動(dòng)用了1 600臺(tái)計(jì)算機(jī),用了6個(gè)月的時(shí)間把李維斯特的密碼破解了。
現(xiàn)在看來(lái),利用計(jì)算機(jī)破解密碼終究會(huì)成功,所以說(shuō)現(xiàn)在的信息安全只是某一段時(shí)間內(nèi)的相對(duì)安全,不是永久的安全。那么,有沒(méi)有永遠(yuǎn)不會(huì)被解密的通信方式呢?有呀,它就是利用量子衛(wèi)星開(kāi)展的量子通信。傳統(tǒng)的密碼鑰匙存在巨大危機(jī),量子衛(wèi)星擁有超強(qiáng)的不可破解的密碼鑰匙,是保密通信的重要保證。
科學(xué)家在1900年發(fā)現(xiàn)了量子這種微粒,發(fā)現(xiàn)了量子糾纏現(xiàn)象:一對(duì)處于糾纏狀態(tài)的量子甲和乙,甲攜帶的信息,可以瞬間在乙身上體現(xiàn)出來(lái)。在量子通信狀態(tài)下,信息的傳輸端和接收端之間不用連接實(shí)線,也不需要電磁波,這種量子糾纏現(xiàn)象曾被愛(ài)因斯坦描述為:兩物之間,無(wú)論距離多遠(yuǎn),都會(huì)存在相互感應(yīng)信息的天然魔力。沒(méi)有傳輸介質(zhì),間諜想從“半路”截獲信息的可能性就不存在了。
最為關(guān)鍵的是,量子通信的加密速度極快,它可以給數(shù)之不盡的每一個(gè)信息片段各加有一個(gè)獨(dú)立的密碼鑰匙。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō):如果把一次通話(huà)分割成一百億個(gè)信息片段來(lái)傳輸,則量子通信可以瞬間給這一百億個(gè)信息片段上各加上各自的密碼鑰匙,這種加密方式被形象地稱(chēng)為“一次一密”。你可以想象,在通信過(guò)程中,信息源源不斷,加密碼鑰匙源源不斷,千變?nèi)f化,間諜要破解這么多的密碼鑰匙,簡(jiǎn)直是招架之功還手之力全無(wú)呀。一次一密帶來(lái)了天量密碼鑰匙,讓密碼間諜從此失去了飯碗。而前面提到的“墨子號(hào)”,就是一顆量子衛(wèi)星“一次一密”的制造者,它是信息間諜的克星。
如果硬要一臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)破解量子衛(wèi)星產(chǎn)生的通信密碼,理論上也是可以的,但時(shí)間需要數(shù)億年,甚至是無(wú)限久。誰(shuí)等密碼能等得起呢?
你看,量子通信時(shí)代,某些間諜也要失業(yè)了。
甲量子向乙量子傳送信息,理論上它們之間的距離可以無(wú)限遠(yuǎn),但無(wú)論間隔多遠(yuǎn),信息都能傳輸給乙。可是,事實(shí)上在地球表面,量子的能量會(huì)衰減,衰減雖然不影響信息傳遞,卻會(huì)影響對(duì)信息的辨別。你想想,甲雖然最終是把信息傳遞給了乙,但信號(hào)太弱,弱到目前我們無(wú)法辨識(shí),不也是無(wú)用嗎!
量子之間信息傳輸距離是無(wú)限的,多遠(yuǎn)都能傳到,但量子之間保持信息可辨認(rèn)的傳輸距離卻是有限的,太遠(yuǎn)了,它們之間有“對(duì)話(huà)”,但咱們聽(tīng)不清楚。在提高量子通信實(shí)用傳輸距離的科研道路上,中國(guó)始終走在前面:2010年6月6日,中國(guó)量子通信實(shí)驗(yàn)小組將信息傳輸了16千米的距離,創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)量子通信的新紀(jì)錄。
量子通信可達(dá)16千米,仍舊不能滿(mǎn)足實(shí)用要求。于是在16千米的基礎(chǔ)上,科學(xué)家繼續(xù)努力,要讓量子通信的距離越來(lái)越遠(yuǎn),可這個(gè)期望后來(lái)“破滅”了,因?yàn)榭茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)在自由環(huán)境中,量子通信距離存在一個(gè)極限,是100千米左右。100千米的傳輸距離雖然具有實(shí)用價(jià)值,但是要建設(shè)量子通信網(wǎng)絡(luò),需要在地面上每隔100千米建設(shè)大量的傳輸基站。眾多基站會(huì)降低量子通信的效率和安全性,因?yàn)樾盘?hào)需要不斷在明文和密文之間多次轉(zhuǎn)換接力,每個(gè)基站容易出現(xiàn)信息安全漏洞,所以大量建設(shè)基站支持量子通信的方案被否決。
基站方案被否決之后,科學(xué)家就把建設(shè)量子通信網(wǎng)絡(luò)的厚望寄托到量子通信衛(wèi)星身上。量子衛(wèi)星可以把量子信息傳輸?shù)木嚯x擴(kuò)大到數(shù)千千米,3顆量子衛(wèi)星就能滿(mǎn)足在全球建立信號(hào)優(yōu)良、安全無(wú)憂(yōu)的量子信息通信網(wǎng)絡(luò),讓信息高速安全地直達(dá)任意地方,所以說(shuō)發(fā)射量子衛(wèi)星是量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),誰(shuí)擁有了量子衛(wèi)星傳輸技術(shù),誰(shuí)就掌握了全球量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主動(dòng)權(quán)。
大家注意嘍,中國(guó)發(fā)射的“墨子號(hào)”是全世界第一顆量子通信衛(wèi)星,別家沒(méi)有喲。墨子是我國(guó)古代偉大的科學(xué)家,被稱(chēng)為“科圣”,他最早提出光線沿直線傳播的理論,設(shè)計(jì)了小孔成像實(shí)驗(yàn),奠定了光通信、量子通信的基礎(chǔ)。用中國(guó)古代偉大科學(xué)家的名字命名量子衛(wèi)星,為的是提升我們的文化自信。量子衛(wèi)星的成功發(fā)射,標(biāo)志著中國(guó)將成為量子通信界的先鋒,在以后量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)程中,中國(guó)將擁有不可忽視的話(huà)語(yǔ)權(quán)和支配權(quán)。