中國科學報

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2016年9月15日 23:02

【量子實驗:「天宮」「墨子」如何分工】 隨著互聯網的大範圍普及,人類的信息傳遞達到了前所未有的數量和頻率,伴隨而來的信息安全隱患,令當下互聯網使用的加密標準——RSA演算法受到前所未有的挑戰。

面對人類日益上升的信息安全需求,科學家尋找到了以「量子密鑰分配」為核心的量子保密通信技術,並逐步從研究走向實用,形成了一定的產業規模。

在地面光纖網路建設方面,世界第一條量子保密通信主幹線路「京滬幹線」即將建成,然而為了更遠距離的量子保密通信,在建設地面光纖網路的同時,還需藉助多個飛行器覆蓋光纖無法到達區域的量子密鑰分配。

「天宮二號」搭載的「量子密鑰分配專項」,就是以實現空地間實用化的量子密鑰分配為目標,通過天上發射一個個單光子並在地面接收,生成量子密鑰。

據介紹,「天宮二號」軌道飛行高度大約為400多公里,飛行速度約為每秒鐘8公里,地面站的接收口徑約一米。用來生成量子密鑰的光子,需要精準地打在地面站的望遠鏡上,精準程度就如同在一輛全速行駛的高鐵上,把一枚枚硬幣準確地投到10公里以外的一個固定的礦泉水瓶里。量子密鑰分配的精準度和實現難度可見一斑。

然而,這項高難度實驗又是如何為通信安全保駕護航的呢?這要從量子態的特性說起。

據中科大相關專家介紹,依據量子不可克隆定理,複製(即克隆)任何一個粒子的狀態前,首先都要測量其狀態。「但量子態不同於經典狀態,非常脆弱,任何測量都會改變數子態本身,因此它無法被任意複製。」該專家告訴《中國科學報》記者。

當竊聽者竊聽經典信息時,相當於複製了經典信息,使原本接受者和竊聽者各獲得一份信息。「不過,量子信息傳輸時,由於無法克隆任意量子態,竊聽者在攔截量子通訊信息的同時,也相當於銷毀了所獲得的量子態。」專家稱。

以「天宮二號」量子密鑰分配載荷為例,如果將「天宮二號」上發射的光子比作硬幣,它的偏振方向就好比硬幣的偏轉角度,這也是量子密鑰安全性的來源所在。

基於量子力學測量原理的「量子密鑰分配」BB84協議,好比為硬幣選取了「↑」、「→」、「↗」、「↘」四個偏轉角度,並且都對應好二進位編碼。密鑰分配時,發射端和接收端都隨機用「+」和「×」兩種洞來讓硬幣通過。扔一個硬幣,雙方就通過電話對比一下選的洞,留下洞一樣時扔的硬幣結果,生成二進位量子密鑰,從而從根本上保證了密鑰的安全性。

如果有人竊聽,竊聽者只能隨機選擇「+」和「×」兩種洞。測過硬幣角度后,為掩蓋竊聽行為,他需要將硬幣再扔給接收方。但是該硬幣已經被測試,會有一半的概率改變角度。此時,接收方經過測試就會發現硬幣的測量結果和發送方有1/4的概率不同,從而判斷出存在竊聽者,便可及時停止密鑰分發,保障信息安全。

因此,專家強調,只要是成功分配的量子密鑰,就一定是沒有被竊聽過的安全密鑰,即「天知地知你知我知」的密鑰,從而成功將信息保護得密不透風,打贏這場信息保衛戰。

另外,專家同時表示,相較於「墨子號」量子科學實驗衛星主要針對包括雙向量子糾纏分發和量子隱形傳態在內的糾纏相關的量子通信實驗,「天宮二號」搭載的量子密鑰分配載荷目標更加聚焦,只針對量子密鑰分發實驗。並且,由於「墨子號」是太陽同步軌道運行,一天單軌,其量子密鑰分發只作為實驗目標,而「天宮二號」一天多軌道運行,可以進一步嘗試空地量子密鑰分發應用。

圖片為「天宮二號」量子密鑰分配專項載荷