量子通信:我的“魔法”你不懂 |
来源:科普江苏 发布时间:2023-09-01 浏览:1272次 |
两千多年来,密码成为人们保护信息的主要手段。然而,既然有人创造出密码,就有人挖空心思地想要破解密码。当各种信息安全事件接连上演时,人们不禁在问:有没有一种绝对不被破译、信息绝对安全的通信方式? 答案就是量子通信,这是迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式。 量子,是微观物理世界中的最小单位。听起来很神秘,它却无时无刻不在我们身边。比如常见的光,就是由大量的光量子组成。在物理学中常用到量子的概念,指一个不可分割的基本个体,例如“光的量子”(光子)是光的单位。在现代科学认知中,几乎任何已知事物都是可测的,即物质的状态是确定的;而在量子的世界里,某些物质则可以同时处于多个可能的状态。 我们来想象一下,在微观领域里,量子像一粒骰子,处在不停的旋转中,各个面都可能朝上。只有在被观测或者测量时,它才会停下来,随机呈现出一个朝上的面。但是,这种测量本身意味着干涉,意味着原先的状态遭到破坏而发生改变。换个角度说,量子一旦被测量过,就不再是原来的那个量子了。 就是基于这一原理,不同于现有电子通信普遍采用的数学计算产生密钥,科学家运用具有量子态的物质作为量子通信的密码。这一看似微小的变化,却使密钥的安全性发生了彻底变化。量子密钥是将数字密钥储存在特殊的量子信息中,并在量子通信线路中传输。当量子信息被窃听后,就会产生无法还原的痕迹,科学家正是利用量子的不可复制性达到保密通信的目的。 我们可以这样设想一下,如果一个偷听者想在某一个地方偷听信息,或者将该信息内容复制下来,这就是一种测量行为,这种测量对量子体系来说意味着对整个体系的破坏,其结果是被测量的信息将全部消失。例如,一旦有人试图打开信件,量子密钥就会让信件自毁,并让使用者知晓。 而要将这种密钥传递出去,科学家还用到了量子理论的另一特性一量子纠缠效应。纠缠,是一种被爱因斯坦称为“幽灵般的超距离作用”的量子相互关联现象:有共同来源的两个微观量子,即便它们隔着一个太阳系,只要一个量子发生变化,另一个量子就会立刻发生相应变化,就像一对彼此存在“心灵感应”的挛生儿一样。两个量子间的传递速度至少是光速的1万倍,时延几乎为零,从而实现了最快通信。
量子通信更安全
量子通信示意图 与现代通信手段不同,只要制造并操控好这对相互纠缠的量子,这种绝对安全、超光速且不存在任何电磁辐射污染的量子通信就能够实现。而且,量子通信还能实现远距离通信,有科学实验证实,甚至可以用来进行星际联络。 从1993年美国科学家提出量子通信的概念至今,各国投入了大量人力、物力进行量子通信的理论和实验研究。在这场国际化竞争中,我国尽管属于后来者,但起点高、进展快,在应用研究的多个方面已经领跑世界。 在量子通信领域,我国已处于国际领先地位。2016年,我国成功发射了世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”。我国之所以要发射量子卫星,是因为如今人们已开发成功的量子通信技术,其极限距离仅300千米,需要借助数量庞大的中继站才能构建一个长距离的量子通信网络,而通过天上的量子卫星,能轻而易举地实现远距离乃至全球范围的量子通信网络。 2017年,我国建成全球首条商用量子保密通信线路一“京沪干线”,它长达2000多千米。从最早的安徽芜湖及合肥城域网到世界首条商用量子保密通信干线“京沪干线”,若以铁路、公路等交通基础设施类比,国内量子保密通信网络已经历了从“地铁网络”到“高铁网络”的发展。 可以预期的是,也许在不久的将来,人们就能彻底告别信息泄露的威胁了。 世界上最早的密码情报 公元前405年,雅典和斯巴达之间的伯罗奔尼撒战争末期,斯巴达军队抓住了一名雅典信使,他身上有一条写满杂乱无章的希腊字母的腰带。当这条腰带呈螺旋形缠绕在一根特定直径的木棍上时,这些字母竟然神奇地组成了一段可读的文字。这便是世界上最早的密码情报。
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