中国成功从太空发送不可破解的密码

“墨子”量子密钥分配示意图(中国科学院)

新华社北京8月10日电(记者于飞)中国“墨子”量子科学实验卫星首次成功实现了从卫星到地面的高速量子密钥分发，为建立最安全、最可靠的全球量子通信网络奠定了可靠的基础。

墨子的这一成就于10日发表在国际权威学术期刊《自然》上。《自然》杂志的评论者称赞卫星-地面量子密钥分配结果是“令人钦佩的成就”和“该领域的里程碑”。

中国科学院院士、量子卫星首席科学家潘建伟表示，“墨子”量子密钥分配实验利用卫星传输量子信号，河北兴隆和*南山地面站分别接收北京和乌鲁木齐之间的量子密钥。

“墨子”进行了量子密钥分配。这是2017年5月在乌鲁木齐南山拍摄的。几张照片合成了卫星传输全景。(中国绘图科学院)

据报道，墨子号将在运输途中与地面光学站建立一条光链路，通信距离为645公里至1200公里。在1200公里的通信距离上，星地量子密钥的传输效率比同样距离的地面光纤信道高20个数量级(万亿倍)。卫星上的量子诱饵光源平均每秒发送4000万个信号光子，在轨道对接实验后约10分钟内可以生成300位安全密钥，平均编码速率为每秒1.1位。

墨子于2017年5月在河北兴隆推出量子密钥分发。(中国绘图科学院)

“这种密钥传输效率可以满足绝对安全的电话呼叫或大量数据的银行传输需求。”潘剑伟说道。

他说，这一重要成果为构建全球量子安全通信网络奠定了可靠的技术基础。在星地量子密钥分发的基础上，卫星可以作为可信中继，实现地球上任意两点的密钥共享，并将量子密钥分发的范围扩展到全球。此外，量子通信地面站与城际光纤量子保密通信网(如合肥量子通信网、济南量子通信网、京沪干线)的互联可以构建一个全球范围的综合保密通信网。

机密通信的绝对安全性

通信安全是国家信息安全和人类经济社会生活的基本要求，也是当今世界的一个难题。窃听和反窃听；加密，解密...密码学中的矛和盾是一个永恒的游戏。

安全通信的原则是，只有掌握了密钥，传输的信息才容易被复制。信息的安全性主要取决于密钥的保密性。然而，传统的加密技术原则上有被解码的可能性。随着数学和计算能力的不断提高，经典密码被破解的可能性日益增加。20世纪90年代，美国数学家肖证明了量子计算可以突破目前广泛使用的公钥系统。2015年11月，美国科技公司谷歌推出了D-Wave Quantum Computer，声称它解决问题的速度比任何其他计算机都快1亿倍，并能破解任何现有的关键系统。

墨子推出量子密钥分发

有绝对安全和保密的通信，让窃听者和解密者束手无策吗？幸运的是，量子物理学为这个问题提供了解决方案。如果量子计算机是反对传统密码学的“利剑和长矛”，那么量子密码学就是反对它的“坚实盾牌”。量子密码术提供了新一代无法窃听或破译的密码术。

专家称，与经典通信不同，量子密钥分发使用量子态传输在两个偏远地区的用户之间共享无条件和安全的密钥。密钥用于一次加密一个信息。这是人类已知的唯一无条件和安全的通信方法，不能被窃听或破译。

潘剑伟说，量子密钥是在A和B之间联合生成一串只有他们两个人都知道的随机数，然后用这个随机数加密。一旦量子密钥被截取或测量，它自己的状态将立即改变。截取量子密钥的人只能得到无效信息，而合法的信息接收者可以从量子态的变化知道量子密钥已经被截取。将量子密钥应用于量子通信就是量子安全通信。与传统的通信方式相比，量子保密通信采用“一次一个秘密”的工作机制。在通信过程中，密码机每分每秒都会产生一个密码。一旦通信结束，这一系列的密码将立即失效，并且不会在下一次通信中重复使用。

潘剑伟打了个比方。古人用火漆封住信封。一旦信被打开一半，就会留下泄露的痕迹。量子密钥在量子通信中的作用比火漆更彻底，因为一旦有人试图打开“字母”，量子密钥就会让“字母”自毁，让用户知道。

如果有人试图打开“信”，量子密钥将导致“信”自毁(他猛画)

打破空间的限制

他说，量子通信通常使用单个光子作为物理载体，而最直接的方式是通过光纤或近地*空间通道传输。然而，两个通道的损耗随着距离的增加呈指数增加。由于量子不可克隆的原理，单光子量子信息不能像经典通信那样被放大，这就把以前的量子通信限制在100公里的数量级。

2016年11月28日，在河北兴隆天文台，“墨子”量子科学实验卫星过境，研究人员正在做实验(合成照片)。新华社记者金

“根据数据计算，即使有每秒100亿发射率的单光子源和完美的探测器，也需要数百万年才能通过1200公里长的光纤建立一个位键。因此，如何实现安全、远程、实用的量子通信是该领域最大的挑战，也是国际学术界几十年来的共同目标。”潘剑伟说道。

他说，借助卫星，利用外层空间几乎是真空的事实，量子通信距离可以大大延长，因此光信号损失非常小。同时，由于卫星具有方便覆盖整个地球的独特优势，它们是在全球范围内实现超远距离实用量子密码和量子隐形传态的最有前途的方法。自本世纪初以来，这一方向成为国际学术界激烈竞争的焦点。

量子卫星在*与南山站建立联系时，工作人员拍了一张照片作为纪念。(由中国科学院提供)

潘剑伟团队为实现星地量子通信进行了一系列开创性的实验研究。2003年，潘剑伟团队提出了利用卫星实现星间量子通信和构建全球量子安全通信网络的计划。随后，2004年，世界上首次实现了水平距离为13公里(大于大气垂直厚度)的*空间双向量子纠缠分布，验证了通过大气进行量子通信的可行性。2011年底，中国科学院战略性科技试点项目“量子科学实验卫星”正式启动。2012年，中国科学院潘剑伟领导的联合研究团队在青海湖实现了首个100公里双向量子纠缠分布和量子隐形传态，充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。2013年，中国科学院联合研究小组在青海湖进行了量子密钥分配实验，模拟卫星与地球之间的相对运动和星地链路的大损耗，充分验证了星地量子密钥分配的可行性。后来，该小组在解决难题和克服各种困难后，成功地研制了“墨子”量子科学实验卫星。墨子于2016年8月16日从酒泉卫星发射中心发射升空。经过四个月的在轨测试，它于2017年1月18日正式交付进行科学实验。

量子卫星与兴隆站建立联系。(由中国科学院提供)

量子通信在国防、军事和金融领域有着广阔的应用前景。一些专家预测，量子通信技术可能在20到30年内对人类社会的发展产生不可估量的影响。量子通信以其高传输效率和绝对安全性被认为是下一代通信和计算机技术的支撑研究，也成为全球物理研究的前沿和焦点领域。