讓黑客碰壁的量子密碼

作者：王雅麗    

人類(lèi)似乎一直都沒(méi)有停止過(guò)對(duì)保密的努力。古希臘人曾把羊皮帶呈螺旋狀繞在木棍上，書(shū)寫(xiě)密碼,收到羊皮帶的人，再把它纏繞到同樣粗細(xì)的木棍上，破譯信息。當(dāng)今《達(dá)芬奇密碼》在全球的暢銷(xiāo)，更是將現(xiàn)代人對(duì)密碼的好奇表現(xiàn)得淋漓盡致。

如今，應(yīng)用廣泛的密碼基本都是依靠數(shù)學(xué)計(jì)算方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的——用復(fù)雜的數(shù)字串對(duì)信息進(jìn)行加密。然而，再?gòu)?fù)雜的數(shù)學(xué)密鑰也可以找到規(guī)律，破解復(fù)雜的數(shù)學(xué)密碼成為計(jì)算技術(shù)的重要應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，破譯數(shù)學(xué)密碼的難度也逐漸降低。量子密碼的研究，無(wú)疑為人類(lèi)追求信息的絕對(duì)安全打開(kāi)了一扇窗。

據(jù)6月3日出版的《自然物理學(xué)》月刊報(bào)道，歐洲科學(xué)家最近在量子通信研究中創(chuàng)下了通信距離達(dá)144公里的最新紀(jì)錄，而且他們認(rèn)為:“此次實(shí)驗(yàn)朝未來(lái)的衛(wèi)星量子通信和量子物理的太空實(shí)驗(yàn)邁出了重要的一步，利用這種方法有望在未來(lái)通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息的太空絕密傳輸。”

在實(shí)驗(yàn)中，研究小組首先在西班牙加那利群島的拉帕爾馬島上制造出偏振糾纏光子對(duì)，然后將光子對(duì)中的一個(gè)光子留在拉帕爾馬島，另一個(gè)光子則通過(guò)光學(xué)線路傳送到144公里外的特內(nèi)里費(fèi)島上。與先前類(lèi)似實(shí)驗(yàn)達(dá)到的距離相比，此次實(shí)驗(yàn)有了巨大進(jìn)展。

該研究小組首席研究員、來(lái)自?shī)W地利維也納大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理協(xié)會(huì)的Anton Zeilinger教授表示：“我們進(jìn)行這次實(shí)驗(yàn)的目的，是想知道是否可以在世界范圍內(nèi)建立量子通信和量子密碼系統(tǒng)�！�

那么究竟什么是量子密碼呢？它與傳統(tǒng)的數(shù)字密碼有何不同？該實(shí)驗(yàn)的成功能夠如何改變?nèi)藗兊纳�活呢�?

絕對(duì)安全的量子密碼

量子信息學(xué)是物理學(xué)的重要分支，它告訴人們，在微觀世界里，不論兩個(gè)粒子間距離多遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的變化都會(huì)影響另一個(gè)粒子，該現(xiàn)象被稱(chēng)作量子糾纏，愛(ài)因斯坦稱(chēng)其為“詭異的互動(dòng)”。根據(jù)這一特性，科學(xué)家們認(rèn)為它是不會(huì)被黑客攻擊的絕對(duì)安全的密碼，美國(guó)《商業(yè)周刊》把它列在了“改變?nèi)藗兾磥?lái)生活的十大發(fā)明”的第三位。上個(gè)世紀(jì)90年代以來(lái)，越來(lái)越多的科學(xué)家醉心于量子密碼的研究，他們力圖用量子密碼作為量子計(jì)算機(jī)和量子保密系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

量子密碼就是用量子狀態(tài)作為信息加密和解密技術(shù)的密鑰。與當(dāng)前普遍使用的以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的密碼體系相比,量子密碼通過(guò)量子信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，由自然規(guī)律來(lái)保證其安全性。根據(jù)量子糾纏原理，光子被分離之后，即使相距十分遙遠(yuǎn)，也是相互聯(lián)結(jié)的。只要測(cè)量出一個(gè)被糾纏光子的屬性，就很容易推斷出其他光子的屬性。而這些相互糾纏的光子產(chǎn)生的密碼，只有通過(guò)特定的發(fā)送器和接收器才能閱讀。

更重要的是，這些光子之間的詭異的互動(dòng)是獨(dú)一無(wú)二的，只要有人非法破譯這些密碼，就不可避免地要擾亂光子的性質(zhì)，而且，異動(dòng)的光子會(huì)像警鈴一樣顯示出入侵者的蹤跡。量子密碼術(shù)打破了傳統(tǒng)加密方法的束縛，量子狀態(tài)的密鑰具有不可復(fù)制性，可以說(shuō)是絕對(duì)安全的。任何截獲或測(cè)試量子密鑰的操作，都會(huì)改變量子狀態(tài)。因此當(dāng)一個(gè)無(wú)權(quán)知道某種信息的人想要竊取信息時(shí)，就很容易被發(fā)現(xiàn)。這樣截獲者得到的只是無(wú)意義的信息，而信息的合法接收者也可以從量子態(tài)的改變，知道密鑰曾被截取過(guò)。

量子密碼有兩種發(fā)展趨勢(shì)：一種是使用口令，另一種是使用糾纏態(tài)。雖然使用糾纏態(tài)的量子密碼是未來(lái)發(fā)展的方向，不過(guò)要實(shí)現(xiàn)充分發(fā)展還需要較長(zhǎng)的時(shí)間。

量子通信到底有多遠(yuǎn)

量子通信是用量子態(tài)作為信息載體，通過(guò)量子態(tài)的傳送完成大容量信息的傳輸，實(shí)現(xiàn)不可破譯的量子保密通信。由于存在各種不可避免的環(huán)境噪聲，量子糾纏態(tài)的品質(zhì)會(huì)隨著傳送距離的增加而變得越來(lái)越差。因此，如何提純高品質(zhì)的量子糾纏態(tài)是目前量子通信研究中的重要難題。

因此，在量子密碼應(yīng)用中最關(guān)鍵的問(wèn)題便是距離。在量子密碼的研究中，科學(xué)家們總是試圖達(dá)到傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離，以實(shí)現(xiàn)在世界范圍內(nèi)建立起絕對(duì)安全的量子通信系統(tǒng)的夢(mèng)想。

如果要解決在地面上的兩地傳輸問(wèn)題，就要向太空發(fā)射衛(wèi)星，并在地面上的某處和太空中的某處之間建立量子聯(lián)系。因?yàn)閭鬏斢龅降膯?wèn)題只是大氣，而大氣層大約只有十公里的厚度，如果把大氣層壓縮到人們所處的這種密度，那這個(gè)地面站和衛(wèi)星之間建立量子聯(lián)系就很容易。同樣在這個(gè)地面站和這里的衛(wèi)星之間可以建立量子聯(lián)系。

量子信號(hào)從地面上發(fā)射并穿透大氣層→衛(wèi)星接收到量子信號(hào)并按需要將其轉(zhuǎn)發(fā)到另一特定衛(wèi)星→量子信號(hào)從該特定衛(wèi)星上再次穿透大氣層到達(dá)地球某個(gè)角落的指定接收地點(diǎn)。由于量子信號(hào)的攜帶者光子在外層空間傳播時(shí)幾乎沒(méi)有損耗，如果能夠在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)糾纏光子在穿透整個(gè)大氣層后仍然存活并保持其糾纏特性，人們就可以在衛(wèi)星的幫助下實(shí)現(xiàn)全球化的量子通信。

量子密碼的應(yīng)用

天生注定追求絕對(duì)安全的國(guó)家自然是這種絕對(duì)安全的量子密碼的追捧者，當(dāng)前各國(guó)紛紛在軍事、國(guó)家安全等領(lǐng)域研究和應(yīng)用量子密碼，力求為國(guó)家的絕對(duì)安全找到科技上的解決之道。

2002年10月，德國(guó)慕尼黑大學(xué)和英國(guó)軍方的研究機(jī)構(gòu)合作，在德國(guó)、奧地利邊境的楚格峰和卡爾文的峰之間用激光成功傳輸了量子密碼。這項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人慕尼黑大學(xué)教授哈拉爾德·魏因富爾特在報(bào)告中表示，這次試驗(yàn)傳輸?shù)木嚯x達(dá)到了23.4公里。

今年5月，日本的科學(xué)家稱(chēng)他們開(kāi)發(fā)出傳輸速度最快的量子密碼，研究小組在實(shí)驗(yàn)中利用10.5公里長(zhǎng)的光纖進(jìn)行信號(hào)傳遞，接收一方用光子探測(cè)器降低干擾，大幅縮短了傳送時(shí)間，使得通信時(shí)間縮短到原來(lái)的1/100。

由清華大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)等單位組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)最近在遠(yuǎn)距離量子通信研究上取得重大突破，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全距離大于100公里的量子保密通信。

除軍事領(lǐng)域外，商業(yè)領(lǐng)域在量子密碼的應(yīng)用上也不甘示弱。從2003年開(kāi)始，日內(nèi)瓦一家公司和紐約的MagiQ技術(shù)公司，合作推出了傳送量子密鑰的距離為30厘米的商業(yè)產(chǎn)品，該產(chǎn)品售價(jià)在7萬(wàn)美元到10萬(wàn)美元之間。據(jù)MagiQ公司介紹，其產(chǎn)品的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)?

● 需要重點(diǎn)保護(hù)財(cái)務(wù)信息的公司；

● 極其注重公司貿(mào)易安全、知識(shí)產(chǎn)權(quán)、專(zhuān)利、商業(yè)計(jì)劃等的公司；

● 財(cái)務(wù)信息需要嚴(yán)格保密的金融機(jī)構(gòu)；

● 需向恐怖分子嚴(yán)格保密的國(guó)家電力、安全系統(tǒng)等；

● 需要安全防護(hù)的政府機(jī)構(gòu)等。

據(jù)MagiQ公司人員介紹，目前有少量的顧客正在使用和測(cè)試這套系統(tǒng)，還沒(méi)有在任何網(wǎng)絡(luò)上廣泛使用，這項(xiàng)新的加密手段標(biāo)志著量子信息科學(xué)的首次商業(yè)化應(yīng)用。日本NEC公司在進(jìn)行了量子通信的演示后表示，最早將在明年推出新產(chǎn)品。此外，IBM、富士通和東芝等企業(yè)也在積極進(jìn)行研發(fā)。目前，市面上的產(chǎn)品能夠?qū)⒚荑�通過(guò)光纖傳送幾十公里。

我們有理由相信，總有一天，人類(lèi)會(huì)實(shí)現(xiàn)全球范圍的絕對(duì)安全，正如互聯(lián)網(wǎng)將整個(gè)世界聯(lián)系在一起一樣。但是，人類(lèi)從來(lái)都是在不懈努力戰(zhàn)勝自己的。當(dāng)量子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之后，也許所有絕對(duì)安全的量子密碼就又會(huì)被破解了。而人類(lèi)，偏偏就是在這樣的自我超越中，不斷發(fā)展不斷進(jìn)步。