漫畫-量子通信京滬幹線的原理是什麼(me)？它是怎麼(me)造出來的？

這(zhè)是Sheldon的第56篇漫畫，所有圖片大約2.1MB。

别看量子力學(xué)處處古怪，

關鍵時候它能(néng)幫你保密呢。

2017年，由中科院領導、中國(guó)科學(xué)技術大學(xué)作爲項目建設主體承擔，中國(guó)有線電視網絡有限公司、山東信息通信技術研究院、中國(guó)科大先進(jìn)技術研究院、中國(guó)銀行業監督管理委員會等單位協作建設的量子保密通信“京滬幹線”順利開(kāi)通。

這(zhè)是世界上首條全長(cháng)2000公裡(lǐ)級别的，能(néng)夠實現“天地一體化”的量子保密通信網絡。

1 爲什麼(me)要搞量子保密通信？

網上買買買的時候你有沒(méi)有想過(guò)，

你的手機向(xiàng)銀行發(fā)起(qǐ)的交易信息，

真的安全嗎？

答案是暫時安全，

因爲網絡交易信息都(dōu)經(jīng)過(guò)了加密。

（即RSA加密）

要想破解RSA加密的密鑰，

就要把一個很大很大的數，

（例如一個1024位的大數）

用暴力方法分解成(chéng)

兩(liǎng)個質數的乘積。

這(zhè)個過(guò)程非常漫長(cháng)，

用超級計算機太湖之光，

加上目前最優的算法，

大概還(hái)是需要50年。

如果位數再增加幾位，

想要破解就得100年起(qǐ)了。

如果將(jiāng)來有了量子計算機，

運用量子計算的肖爾算法，

别說1024位的密鑰了，

就連破解2048位的密鑰，

它都(dōu)隻需要幾秒鍾。

所以，

爲了未來的信息安全，

許多國(guó)家需要研究和應用

量子保密通信技術。

2 什麼(me)是量子保密通信？

量子保密通信說白了，

就是利用量子力學(xué)的幺蛾子性質，

先發(fā)送、後(hòu)産生一組完全随機的密鑰，

供通信雙方加密和解密時使用。

整個過(guò)程不可竊聽，

産生的密文不可破解，

在物理上是絕對(duì)安全的。

網上傳輸所有的信息時，

都(dōu)要先把信息轉換成(chéng)比特0和1。

假如你用傳統的方法，

在光纖中傳輸一段密碼，

就得用很多光子組成(chéng)的脈沖表示1，

用沒(méi)有光子的空白狀态表示0。

這(zhè)麼(me)多光子在光纖中跑，

想要竊聽而不被發(fā)現，

一點兒也不難。

但是在量子保密通信中，

科學(xué)家表示0和1的方法，

是單個光子的偏振狀态。

比方說，

如果跑來一個0度偏振的光子，

我們就會接收到比特0；

如果跑來一個90度偏振的光子，

我們就會接收到比特1。

量子通信的科學(xué)家非常雞賊，

他們不但用0度和90度表示0和1，

還(hái)制定了一個奇葩的規定：

45度的光子也可以表示比特0，

135度的光子也可以表示比特1。

所以，

他們發(fā)送的0和1的序列，

必然随機包含兩(liǎng)種(zhǒng)類型的光子。

當一個45度偏振的光子，

跑到測量0度和90度偏振的

接收器面(miàn)前時，

又會得到什麼(me)結果呢？

量子力學(xué)中有個幺蛾子，

叫(jiào)做量子疊加态。

簡單地說，

45度的偏振，

可以看作是0度和90度偏振的疊加。

但是，

接收器顯然不會

同時探測到0度和90度的偏振，

而是随機得到其中一種(zhǒng)結果：

要麼(me)是0度偏振（比特0）

要麼(me)是90度偏振（比特1），

兩(liǎng)種(zhǒng)結果都(dōu)有一定概率發(fā)生。

這(zhè)就是量子力學(xué)的另一個幺蛾子：

“上帝擲骰子”！

所以，

我們得到一個經(jīng)驗：

如果接收器和光子偏振方向(xiàng)不一緻，

就無法接收到正确的比特。

隻有接收器和光子偏振方向(xiàng)一緻時，

才能(néng)接收到正确的比特。

假設有人不自量力，

非要在半路竊聽，

由于他不知道(dào)每個光子發(fā)出的方向(xiàng)，

就算他接收到了一堆比特，

其中也會有大量的錯誤。

如果他自作聰明，

把含有大量錯誤的比特，

重新發(fā)送出去。

接收方收到比特後(hòu)，

發(fā)現錯誤很多，

自然會知道(dào)有人在竊聽！

所以，

量子保密通信

在通信的過(guò)程中不可竊聽。

當科學(xué)家産生和發(fā)送量子密鑰時，

他總是先随機發(fā)射兩(liǎng)類光子，

接收方則會随機擺弄接收器的方向(xiàng)，

這(zhè)會導緻很多光子的接收失敗。

然後(hòu)，

科學(xué)家會和接收方通個電話，

交流一下哪些光子失敗，

哪些光子成(chéng)功。

把失敗光子的比特統統删除，

剩下的比特就組成(chéng)了量子密鑰。

因爲每串秘鑰都(dōu)是随機産生的，

由此加密的信息便統統不可破解。

3 如何建造量子通信的京滬幹線？

2016年8月，

我國(guó)發(fā)射了一枚量子實驗衛星，

這(zhè)是通向(xiàng)量子保密通信的關鍵一步。

不過(guò)，

由于衛星并不在同步軌道(dào)上，

而是不斷在天上跑來跑去，

它不能(néng)24小時爲我們提供服務，

所以，我們還(hái)要建造

地面(miàn)量子通信系統：京滬幹線。

京滬幹線的建造方法，

看起(qǐ)來非常簡單。

就是用你上網用的光纖，

把量子通信收發(fā)裝置連起(qǐ)來。

由于在遠距離通信中，

單個光子很容易被光纖吸收或散射，

所以在京滬幹線上，

每隔一段距離，

就要建一個可信中繼站。

在可信中繼站之間，

量子密鑰會接力傳遞。

如果有敵人潛入了中繼站，

密鑰就有可能(néng)被竊聽。

但是，

相比經(jīng)典通信的處處設防，

可信中繼的重點設防容易多了，

所以，

這(zhè)種(zhǒng)量子通信的實現方案，

在現有的技術手段下，

極大地提升了通信的安全性。

4 京滬幹線有什麼(me)意義？

首先，

京滬幹線的建成(chéng)，

服務了國(guó)家的戰略需求，

使我國(guó)在信息安全領域

達到世界領先水平。

其次，

京滬幹線吸引和培育了

量子通信的制造業和服務業。

其中的很多關鍵設備，

都(dōu)是由中國(guó)企業自主研發(fā)和制造的。

例如，上轉換單光子探測器

用的铌酸锂波導芯片，

就是由濟南量子技術研究院

和山東量子科學(xué)技術研究院有限公司

共同研制的。

除此之外，中國(guó)企業還(hái)制造了

能(néng)夠快速産生大量量子密鑰的

GHz高速量子網關，

在接入站點進(jìn)行大規模加密和解密的

密鑰管理機，

能(néng)夠擴展網絡的光量子交換機，

還(hái)有能(néng)夠從一個局域網

接入另一個局域網的

量子VPN。

在京滬幹線的分階段建造中，

銀監會、地方銀監局和銀行，

就已經(jīng)在各自的系統中，

嘗試應用量子保密通信了，

這(zhè)會爲量子通信的應用起(qǐ)到示範效果。

量子實驗衛星的發(fā)射，

和量子通信京滬幹線的建成(chéng)，

标志着中國(guó)正在努力成(chéng)爲，

下一代信息技術的“領跑者”。

量子通信應用的大幕，

正由中國(guó)和世界各地的科學(xué)家一起(qǐ)，

徐徐拉開(kāi)。