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量子通信:绝密的未来通信

2013-12-20 08:40
黯影冰风
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  量子通信技术基于量子物理学的基本原理,克服了经典加密技术内在的安全隐患,是迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式。为了拓展应用、与现有通信系统兼容以及大量减少成本,需对点对点的通信方式进行组网并充分利用经典通信设施。与此同时,量子克隆技术的出现也使得我们开始重新审视量子通信的安全性问题。量子通信是相对最安全的,但任何事情都不是绝对的,有矛就有盾。一方面有“量子非克隆原理”,另一方面有实现近似量子克隆的“量子克隆机”。怎样可靠地评估安全性?怎样进行攻击?是值得研讨的问题。在不久的将来,量子通信与经典通信的融合发展将会带来通信世界的新纪元。

  什么是量子通信?

  在量子的世界中,对于一个微观的粒子,测量过程本身将不可避免的给我们要测量的物体造成一个显著的扰动,而且即使在原则上,我们也完全没办法把这一扰动减小到零;另一方面,观测行为本身又会破坏粒子原来的状态,让你永远不可能知道粒子本来的状态是什么。这就是量子不可克隆原理:你不能够复制一个未知的量子态,而不改变量子态本身。量子不可克隆原理是量子加密的基础。如果我们把想要保密传输的信息,加载到一个个不可能被准确观测和复制的量子态上,而任何的窃听行为都会改变原本传输的数据。那么最后我们取一部分数据出来,检查原本传输的信息是否被破坏,就能够检测到窃听者是否存在。

  整个量子通信中,具有短期内真实的应用潜能的就是量子保密通信,其中最有用的部分就是量子密钥分发。经典通信使用最广泛的公钥密码,是假定一些数学难题,最典型的是假定大型数据分解的数学难题。但是,随着计算能力的不断提高,特别是未来量子计算机如果实现的话,这种数学难题的复杂性就迎刃而解了,换句话说,经典保密通信基于的数学方法不能获得严格的数学证明。在这个背景下,量子保密通信最大的卖点就是它的安全性获得了严格的数学证明,这也可以从其基本的量子力学的基本原理来解释。

  量子通信另一个核心内容是隐形传输,是利用了光子等基本粒子的量子纠缠原理来实现保密通信过程。纠缠是一种诡异的超距离相互关联的现象:两个纠缠在一起的粒子,即使被完全隔离,当观测一个粒子的状态时,另一个粒子的状态也会发生瞬时的改变。换言之,两个粒子的量子状态是完全关联的。量子物理让人最不可思议的地方在于,事物的状态并不是唯一确定的。对于宏观的硬币而言,只可能存在两种状态:正面朝上或是反面朝上。但对于一枚量子硬币,它可以既是正面朝上又是反面朝上。对于两枚纠缠在一起的量子硬币,如果发现其中一枚是正面朝上,另一枚也一定是正面朝上;当发现一枚是反面朝上,另一枚也一定是反面朝上;如果发现一枚既是正面朝上又是反面朝上,另外一枚也一定既是正面朝上又是反面朝上。因此,纠缠所包含的关联性,要比我们通常理解的宏观上的关联性强得多。

  事实上,纠缠的两个粒子尽管可以在很远的距离上一个影响另一个,但它们无法传递任何信息。以密钥为例,当双方共享同一套密钥时,并没有发生信息的传递,直到加密的文本传来,密钥才有意义。量子通信和传统通信的唯一区别在于,量子通信采用了一种新的密钥生成方式,而且密钥不可能被第三方获取。

  向全球的量子通信网迈进

  发展量子通信技术的终极目标是构建广域乃至全球范围的绝对安全的量子通信网络体系。通过光纤实现城域量子通信网络连接一个中等城市内部的通信节点、通过量子中继实现邻近两个城市之间的连接、通过卫星与地面站之间的自由空间光子传输和卫星平台的中转实现遥远两个区域之间的连接,是实现全球广域量子通信最理想的路线图。

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