让黑客碰壁的量子密码

作者：王雅丽    

人类似乎一直都没有停止过对保密的努力。古希腊人曾把羊皮带呈螺旋状绕在木棍上，书写密码,收到羊皮带的人，再把它缠绕到同样粗细的木棍上，破译信息。当今《达芬奇密码》在全球的畅销，更是将现代人对密码的好奇表现得淋漓尽致。

如今，应用广泛的密码基本都是依靠数学计算方法来实现的——用复杂的数字串对信息进行加密。然而，再复杂的数学密钥也可以找到规律，破解复杂的数学密码成为计算技术的重要应用。随着计算机的飞速发展，破译数学密码的难度也逐渐降低。量子密码的研究，无疑为人类追求信息的绝对安全打开了一扇窗。

据6月3日出版的《自然物理学》月刊报道，欧洲科学家最近在量子通信研究中创下了通信距离达144公里的最新纪录，而且他们认为:“此次实验朝未来的卫星量子通信和量子物理的太空实验迈出了重要的一步，利用这种方法有望在未来通过卫星网络实现信息的太空绝密传输。”

在实验中，研究小组首先在西班牙加那利群岛的拉帕尔马岛上制造出偏振纠缠光子对，然后将光子对中的一个光子留在拉帕尔马岛，另一个光子则通过光学线路传送到144公里外的特内里费岛上。与先前类似实验达到的距离相比，此次实验有了巨大进展。

该研究小组首席研究员、来自奥地利维也纳大学实验物理协会的Anton Zeilinger教授表示：“我们进行这次实验的目的，是想知道是否可以在世界范围内建立量子通信和量子密码系统。”

那么究竟什么是量子密码呢？它与传统的数字密码有何不同？该实验的成功能够如何改变人们的生活呢？

绝对安全的量子密码

量子信息学是物理学的重要分支，它告诉人们，在微观世界里，不论两个粒子间距离多远，一个粒子的变化都会影响另一个粒子，该现象被称作量子纠缠，爱因斯坦称其为“诡异的互动”。根据这一特性，科学家们认为它是不会被黑客攻击的绝对安全的密码，美国《商业周刊》把它列在了“改变人们未来生活的十大发明”的第三位。上个世纪90年代以来，越来越多的科学家醉心于量子密码的研究，他们力图用量子密码作为量子计算机和量子保密系统的基础。

量子密码就是用量子状态作为信息加密和解密技术的密钥。与当前普遍使用的以数学为基础的密码体系相比,量子密码通过量子信号来实现，由自然规律来保证其安全性。根据量子纠缠原理，光子被分离之后，即使相距十分遥远，也是相互联结的。只要测量出一个被纠缠光子的属性，就很容易推断出其他光子的属性。而这些相互纠缠的光子产生的密码，只有通过特定的发送器和接收器才能阅读。

更重要的是，这些光子之间的诡异的互动是独一无二的，只要有人非法破译这些密码，就不可避免地要扰乱光子的性质，而且，异动的光子会像警铃一样显示出入侵者的踪迹。量子密码术打破了传统加密方法的束缚，量子状态的密钥具有不可复制性，可以说是绝对安全的。任何截获或测试量子密钥的操作，都会改变量子状态。因此当一个无权知道某种信息的人想要窃取信息时，就很容易被发现。这样截获者得到的只是无意义的信息，而信息的合法接收者也可以从量子态的改变，知道密钥曾被截取过。

量子密码有两种发展趋势：一种是使用口令，另一种是使用纠缠态。虽然使用纠缠态的量子密码是未来发展的方向，不过要实现充分发展还需要较长的时间。

量子通信到底有多远

量子通信是用量子态作为信息载体，通过量子态的传送完成大容量信息的传输，实现不可破译的量子保密通信。由于存在各种不可避免的环境噪声，量子纠缠态的品质会随着传送距离的增加而变得越来越差。因此，如何提纯高品质的量子纠缠态是目前量子通信研究中的重要难题。

因此，在量子密码应用中最关键的问题便是距离。在量子密码的研究中，科学家们总是试图达到传输的最远距离，以实现在世界范围内建立起绝对安全的量子通信系统的梦想。

如果要解决在地面上的两地传输问题，就要向太空发射卫星，并在地面上的某处和太空中的某处之间建立量子联系。因为传输遇到的问题只是大气，而大气层大约只有十公里的厚度，如果把大气层压缩到人们所处的这种密度，那这个地面站和卫星之间建立量子联系就很容易。同样在这个地面站和这里的卫星之间可以建立量子联系。

量子信号从地面上发射并穿透大气层→卫星接收到量子信号并按需要将其转发到另一特定卫星→量子信号从该特定卫星上再次穿透大气层到达地球某个角落的指定接收地点。由于量子信号的携带者光子在外层空间传播时几乎没有损耗，如果能够在技术上实现纠缠光子在穿透整个大气层后仍然存活并保持其纠缠特性，人们就可以在卫星的帮助下实现全球化的量子通信。

量子密码的应用

天生注定追求绝对安全的国家自然是这种绝对安全的量子密码的追捧者，当前各国纷纷在军事、国家安全等领域研究和应用量子密码，力求为国家的绝对安全找到科技上的解决之道。

2002年10月，德国慕尼黑大学和英国军方的研究机构合作，在德国、奥地利边境的楚格峰和卡尔文的峰之间用激光成功传输了量子密码。这项研究的负责人慕尼黑大学教授哈拉尔德·魏因富尔特在报告中表示，这次试验传输的距离达到了23.4公里。

今年5月，日本的科学家称他们开发出传输速度最快的量子密码，研究小组在实验中利用10.5公里长的光纤进行信号传递，接收一方用光子探测器降低干扰，大幅缩短了传送时间，使得通信时间缩短到原来的1/100。

由清华大学、中国科技大学等单位组成的联合研究团队最近在远距离量子通信研究上取得重大突破，在国际上率先实现绝对安全距离大于100公里的量子保密通信。

除军事领域外，商业领域在量子密码的应用上也不甘示弱。从2003年开始，日内瓦一家公司和纽约的MagiQ技术公司，合作推出了传送量子密钥的距离为30厘米的商业产品，该产品售价在7万美元到10万美元之间。据MagiQ公司介绍，其产品的主要应用领域为:

● 需要重点保护财务信息的公司；

● 极其注重公司贸易安全、知识产权、专利、商业计划等的公司；

● 财务信息需要严格保密的金融机构；

● 需向恐怖分子严格保密的国家电力、安全系统等；

● 需要安全防护的政府机构等。

据MagiQ公司人员介绍，目前有少量的顾客正在使用和测试这套系统，还没有在任何网络上广泛使用，这项新的加密手段标志着量子信息科学的首次商业化应用。日本NEC公司在进行了量子通信的演示后表示，最早将在明年推出新产品。此外，IBM、富士通和东芝等企业也在积极进行研发。目前，市面上的产品能够将密钥通过光纤传送几十公里。

我们有理由相信，总有一天，人类会实现全球范围的绝对安全，正如互联网将整个世界联系在一起一样。但是，人类从来都是在不懈努力战胜自己的。当量子计算机出现之后，也许所有绝对安全的量子密码就又会被破解了。而人类，偏偏就是在这样的自我超越中，不断发展不断进步。