隨著互聯(lián)網(wǎng)的大范圍普及，人類的信息傳遞達(dá)到了前所未有的數(shù)量和頻率，伴隨而來(lái)的信息安全隱患，令當(dāng)下互聯(lián)網(wǎng)使用的加密標(biāo)準(zhǔn)——RSA算法受到前所未有的挑戰(zhàn)。
面對(duì)人類日益上升的信息安全需求，科學(xué)家尋找到了以“量子密鑰分配”為核心的量子保密通信技術(shù)，并逐步從研究走向?qū)嵱茫纬闪艘欢ǖ漠a(chǎn)業(yè)規(guī)模。
在地面光纖網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面，世界第一條量子保密通信主干線路“京滬干線”即將建成，然而為了更遠(yuǎn)距離的量子保密通信，在建設(shè)地面光纖網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，還需借助多個(gè)飛行器覆蓋光纖無(wú)法到達(dá)區(qū)域的量子密鑰分配。
“天宮二號(hào)”搭載的“量子密鑰分配專項(xiàng)”，就是以實(shí)現(xiàn)空地間實(shí)用化的量子密鑰分配為目標(biāo)，通過(guò)天上發(fā)射一個(gè)個(gè)單光子并在地面接收，生成量子密鑰。
據(jù)介紹，“天宮二號(hào)”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(lái)生成量子密鑰的光子，需要精準(zhǔn)地打在地面站的望遠(yuǎn)鏡上，精準(zhǔn)程度就如同在一輛全速行駛的高鐵上，把一枚枚硬幣準(zhǔn)確地投到10公里以外的一個(gè)固定的礦泉水瓶里。量子密鑰分配的精準(zhǔn)度和實(shí)現(xiàn)難度可見(jiàn)一斑。
“天宮二號(hào)”量子密鑰分配專項(xiàng)載荷
然而，這項(xiàng)高難度實(shí)驗(yàn)又是如何為通信安全保駕護(hù)航的呢？這要從量子態(tài)的特性說(shuō)起。
據(jù)中科大相關(guān)專家介紹，依據(jù)量子不可克隆定理，復(fù)制（即克?。┤魏我粋€(gè)粒子的狀態(tài)前，首先都要測(cè)量其狀態(tài)?！暗孔討B(tài)不同于經(jīng)典狀態(tài)，非常脆弱，任何測(cè)量都會(huì)改變量子態(tài)本身，因此它無(wú)法被任意復(fù)制?！?/p>
當(dāng)竊聽(tīng)者竊聽(tīng)經(jīng)典信息時(shí)，相當(dāng)于復(fù)制了經(jīng)典信息，使原本接受者和竊聽(tīng)者各獲得一份信息?！安贿^(guò)，量子信息傳輸時(shí)，由于無(wú)法克隆任意量子態(tài)，竊聽(tīng)者在攔截量子通訊信息的同時(shí)，也相當(dāng)于銷毀了所獲得的量子態(tài)。”專家稱。
以“天宮二號(hào)”量子密鑰分配載荷為例，如果將“天宮二號(hào)”上發(fā)射的光子比作硬幣，它的偏振方向就好比硬幣的偏轉(zhuǎn)角度，這也是量子密鑰安全性的來(lái)源所在。
基于量子力學(xué)測(cè)量原理的“量子密鑰分配”BB84協(xié)議，好比為硬幣選取了“↑”、“→”、“↗”、“↘”四個(gè)偏轉(zhuǎn)角度，并且都對(duì)應(yīng)好二進(jìn)制編碼。密鑰分配時(shí)，發(fā)射端和接收端都隨機(jī)用“+”和“×”兩種洞來(lái)讓硬幣通過(guò)。扔一個(gè)硬幣，雙方就通過(guò)電話對(duì)比一下選的洞，留下洞一樣時(shí)扔的硬幣結(jié)果，生成二進(jìn)制量子密鑰，從而從根本上保證了密鑰的安全性。
如果有人竊聽(tīng)，竊聽(tīng)者只能隨機(jī)選擇“+”和“×”兩種洞。測(cè)過(guò)硬幣角度后，為掩蓋竊聽(tīng)行為，他需要將硬幣再扔給接收方。但是該硬幣已經(jīng)被測(cè)試，會(huì)有一半的概率改變角度。此時(shí)，接收方經(jīng)過(guò)測(cè)試就會(huì)發(fā)現(xiàn)硬幣的測(cè)量結(jié)果和發(fā)送方有1/4的概率不同，從而判斷出存在竊聽(tīng)者，便可及時(shí)停止密鑰分發(fā)，保障信息安全。
因此，專家強(qiáng)調(diào)，只要是成功分配的量子密鑰，就一定是沒(méi)有被竊聽(tīng)過(guò)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(hù)得密不透風(fēng)，打贏這場(chǎng)信息保衛(wèi)戰(zhàn)。
另外，專家同時(shí)表示，相較于“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星主要針對(duì)包括雙向量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)在內(nèi)的糾纏相關(guān)的量子通信實(shí)驗(yàn)，“天宮二號(hào)”搭載的量子密鑰分配載荷目標(biāo)更加聚焦，只針對(duì)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。并且，由于“墨子號(hào)”是太陽(yáng)同步軌道運(yùn)行，一天單軌，其量子密鑰分發(fā)只作為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，而“天宮二號(hào)”一天多軌道運(yùn)行，可以進(jìn)一步嘗試空地量子密鑰分發(fā)應(yīng)用。