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中国成功从太空发送不可破解的密码

2019-11-08 10:33:07来源:励志吧0次阅读

“墨子号”量子密钥分发示意图(中科院供图)

8月10日,中国“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次成功实现从卫星到地面的高速量子密钥分发,为建立最安全保密的全球量子通讯网络奠定可靠基础。

“墨子号”的这1成果发表在10日出版的国际权威学术刊物《自然》杂志上。《自然》杂志的审稿人称赞星地量子密钥分发成果是“使人敬佩的成绩”和“本领域的1个里程碑”。

量子卫星首席科学家、中国科学院院士潘建伟说,“墨子号”量子密钥分发实验采取卫星发射量子信号,河北昌盛与新疆南山地面站分别接收的方式,在北京和乌鲁木齐之间建立了量子密钥。

“墨子号”展开量子密钥分发,2017年5月摄于乌鲁木齐南山,多张照片合成了卫星过境全貌。(中科院供图)

据介绍,“墨子号”过境时与地面光学站建立光链路,通讯距离从645千米到1200千米。在1200千米通讯距离上,星地量子密钥的传输效力比同等距离地面光纤信道高20个数量级(万亿亿倍)。卫星上量子诱骗态光源平均每秒发送4000万个信号光子,1次过轨对接实验约10分钟可生成300kbit的安全密钥,平均成码率可达每秒1.1kbit。

“墨子号”展开量子密钥分发,2017年5月摄于河北兴盛。(中科院供图)

“这样的密钥发送效率可以满足绝对安全的打电话或银行传输大量数据的需求。”潘建伟说。

他说,这1重要成果为构建覆盖全球的量子保密通讯网络奠定了可靠的技术基础。以星地量子密钥分发为基础,将卫星作为可信中继,可以实现地球上任意两点的密钥同享,将量子密钥分发范围扩大到覆盖全球。另外,将量子通讯地面站与城际光纤量子保密通讯网(如合肥量子通讯网、济南量子通讯网、京沪干线)互联,可以构建覆盖全球的天地1体化保密通讯网络。

绝对安全的保密通讯

通讯安全是国家信息安全和人类经济社会生活的基本需求,也是当代世界的困难。窃听、反窃听;加密、解密……这些密码学中的矛与盾处于恒久的博弈当中。

保密通讯的原理在于,唯有掌握密钥,才能轻易重现传递的信息。信息的安全性主要依赖于密钥的秘密性。但是,传统加密技术在原理上存在着被破译的可能性。随着数学和计算能力的不断提升,经典密码被破译的可能性与日俱增。20世纪90年代,美国数学家肖尔证明量子计算可以攻破目前广泛使用的公钥体系。2015年11月,美国科技公司谷歌推出的D-Wave量子计算机,宣称其在解决问题时能够比其他任何计算机都快1亿倍,并能破解任何现有密钥体系。

“墨子号”展开量子密钥分发(中科院供图)

有无绝对安全的保密通讯,让窃听、破译者无计可施?所幸的是,量子物理提供了解决这1问题的办法。如果量子计算机是针对传统密码的“利剑长矛”,那末量子密码技术就是抵抗它的“坚固盾牌”。量子密码提供了1种不可窃听、不可破译的新1代密码技术。

专家介绍,与经典通讯不同,量子密钥分发通过量子态的传输,在遥远两地的用户同享无条件安全的密钥,利用该密钥对信息进行1次1密的严格加密,这是目前人类唯1已知的不可窃听、不可破译的无条件安全的通讯方式。

潘建伟说,量子密钥就是在A和B之间共同生成1串只有他们两边知道的随机数,然后用这个随机数来加密。量子密钥1旦被截获或被丈量,其本身状态就会立刻产生改变。截获量子密钥的人只能得到无效信息,而信息的合法接收者则可以从量子态的改变中得知量子密钥曾被截取过。将量子密钥利用于量子通讯中,就是量子保密通讯。与传统通话方式相比,量子保密通讯采取的是“1次1密”的工作机制,通话期间,密码机每分每秒都在产生密码,1旦通话结束,这串密码就会立即失效,且下次通话不会重复使用。

潘建伟打了个比方,古人在信封上用火漆封口,1旦信件被中途拆开,就会留下泄密的痕迹。量子密钥在量子通讯中的作用比火漆更完全,由于1旦有人试图打开“信件”,量子密钥会让“信件”自毁,并让使用者知晓。

如果有人试图打开“信件”,量子密钥会让“信件”自毁(贺萌绘图)

从太空突破极限

他说,量子通讯通常采取单光子作为物理载体,最为直接的方式是通过光纤或近地面自由空间信道传输。但是,这两种信道的消耗都随着距离的增加而指数增加。由于量子不可克隆原理,单光子量子信息不能像经典通讯那样被放大,这使得之前的量子通讯的局限在百千米量级。

2016年11月28日,在河北兴盛观测站,“墨子号”量子科学实验卫星过境,科研人员在做实验(合成照片)。新华社记者金立旺摄

“根据数据测算,通过1200千米的光纤,即使有每秒百亿发射率的单光子源和完善的探测器,也需要数百万年才能建立1个比特的密钥。因此,如何实现安全、长距离、可实用化的量子通讯是该领域的最大挑战和国际学术界几10年来奋斗的共同目标。”潘建伟说。

他说,利用外太空几近真空因此光信号消耗非常小的特点,通过卫星的辅助可以大大扩大量子通讯距离。同时,由于卫星具有方便覆盖全部地球的独特优势,是在全球尺度上实现超远距离实用化量子密码和量子隐形传态最有希望的途径。从本世纪初以来,该方向已成了国际学术界剧烈角逐的焦点。

量子卫星与新疆南山站建立链路时工作人员合影记念。(中科院提供)

潘建伟团队为实现星地量子通讯展开了1系列先驱性的实验研究。2003年,潘建伟团队提出了利用卫星实现星地间量子通讯、构建覆盖全球量子保密通讯网的方案,随后于2004年在国际上首次实现了水平距离13千米(大于大气层垂直厚度)的自由空间双向量子纠缠分发,验证了穿过大气层进行量子通讯的可行性。2011年底,中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。2012年,潘建伟领衔的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个百千米的双向量子纠缠分发和量子隐形传态,充分验证了利用卫星实现量子通讯的可行性。2013年,中科院联合研究团队在青海湖实现了摹拟星地相对运动和星地链路大消耗的量子密钥分发实验,全方位验证了卫星到地面的量子密钥分发的可行性。随后,该团队经过艰苦攻关,克服种种困难,终究成功研制了“墨子号”量子科学实验卫星。“墨子号”于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射升空,经过4个月的在轨测试,2017年1月18日正式交付展开科学实验。

量子卫星与昌盛站建立链路。(中科院提供)

量子通讯在国防、军事、金融等领域利用前景广阔。有专家预测,量子通讯技术可能在20至30年后对人类社会发展产生难以估计的影响。量子通讯因其传输高效和绝对安全等特点,被认为是下1代通讯和计算机技术的支持性研究,也已成为全球物理学研究的前沿与焦点领域。

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