科普漫画 | 量子通信京沪干线的原理是什么？它是怎么造出来的？

别看量子力学处处古怪，

关键时候它能帮你保密呢。

2017年，由中科院领导、中国科学技术大学作为项目建设主体承担，中国有线电视网络有限公司、山东信息通信技术研究院、中国科大先进技术研究院、中国银行业监督管理委员会等单位协作建设的量子保密通信“京沪干线”顺利开通。

这是世界上首条全长2000公里级别的，能够实现“天地一体化”的量子保密通信网络。

 1  为什么要搞量子保密通信？

网上买买买的时候你有没有想过，

你的手机向银行发起的交易信息，

真的安全吗？

答案是暂时安全，

因为网络交易信息都经过了加密。

（即RSA加密）

要想破解RSA加密的密钥，

就要把一个很大很大的数，

（例如一个1024位的大数）

用暴力方法分解成

两个质数的乘积。

这个过程非常漫长，

用超级计算机太湖之光，

加上目前最优的算法，

大概还是需要50年。

如果位数再增加几位，

想要破解就得100年起了。

如果将来有了量子计算机，

运用量子计算的肖尔算法，

别说1024位的密钥了，

就连破解2048位的密钥，

它都只需要几秒钟。

所以，

为了未来的信息安全，

许多国家需要研究和应用

量子保密通信技术。

 2  什么是量子保密通信？

量子保密通信说白了，

就是利用量子力学的幺蛾子性质，

先发送、后产生一组完全随机的密钥，

供通信双方加密和解密时使用。

整个过程不可窃听，

产生的密文不可破解，

在物理上是绝对安全的。

网上传输所有的信息时，

都要先把信息转换成比特0和1。

假如你用传统的方法，

在光纤中传输一段密码，

就得用很多光子组成的脉冲表示1，

用没有光子的空白状态表示0。

这么多光子在光纤中跑，

想要窃听而不被发现，

一点儿也不难。

但是在量子保密通信中，

科学家表示0和1的方法，

是单个光子的偏振状态。

比方说，

如果跑来一个0度偏振的光子，

我们就会接收到比特0；

如果跑来一个90度偏振的光子，

我们就会接收到比特1。

量子通信的科学家非常鸡贼，

他们不但用0度和90度表示0和1，

还制定了一个奇葩的规定：

45度的光子也可以表示比特0，

135度的光子也可以表示比特1。

所以，

他们发送的0和1的序列，

必然随机包含两种类型的光子。

当一个45度偏振的光子，

跑到测量0度和90度偏振的

接收器面前时，

又会得到什么结果呢？

量子力学中有个幺蛾子，

叫做量子叠加态。

简单地说，

45度的偏振，

可以看作是0度和90度偏振的叠加。

但是，

接收器显然不会

同时探测到0度和90度的偏振，

而是随机得到其中一种结果：

要么是0度偏振（比特0）

要么是90度偏振（比特1），

两种结果都有一定概率发生。

这就是量子力学的另一个幺蛾子：

“上帝掷骰子”！

所以，

我们得到一个经验：

如果接收器和光子偏振方向不一致，

就无法接收到正确的比特。

只有接收器和光子偏振方向一致时，

才能接收到正确的比特。

假设有人不自量力，

非要在半路窃听，

由于他不知道每个光子发出的方向，

就算他接收到了一堆比特，

其中也会有大量的错误。

如果他自作聪明，

把含有大量错误的比特，

重新发送出去。

接收方收到比特后，

发现错误很多，

自然会知道有人在窃听！

所以，

量子保密通信

在通信的过程中不可窃听。

当科学家产生和发送量子密钥时，

他总是先随机发射两类光子，

接收方则会随机摆弄接收器的方向，

这会导致很多光子的接收失败。

然后，

科学家会和接收方通个电话，

交流一下哪些光子失败，

哪些光子成功。

把失败光子的比特统统删除，

剩下的比特就组成了量子密钥。

因为每串秘钥都是随机产生的，

由此加密的信息便统统不可破解。

 3  如何建造量子通信的京沪干线？

2016年8月， 

我国发射了一枚量子实验卫星，

这是通向量子保密通信的关键一步。

不过，

由于卫星并不在同步轨道上，

而是不断在天上跑来跑去，

它不能24小时为我们提供服务，

所以，我们还要建造

地面量子通信系统：京沪干线。

京沪干线的建造方法，

看起来非常简单。

就是用你上网用的光纤，

把量子通信收发装置连起来。

由于在远距离通信中，

单个光子很容易被光纤吸收或散射，

所以在京沪干线上，

每隔一段距离，

就要建一个可信中继站。

在可信中继站之间，

量子密钥会接力传递。

如果有敌人潜入了中继站，

密钥就有可能被窃听。

但是，

相比经典通信的处处设防，

可信中继的重点设防容易多了，

所以，

这种量子通信的实现方案，

在现有的技术手段下，

极大地提升了通信的安全性。

 4  京沪干线有什么意义？

首先，

京沪干线的建成，

服务了国家的战略需求，

使我国在信息安全领域

达到世界领先水平。

其次，

京沪干线吸引和培育了

量子通信的制造业和服务业。

其中的很多关键设备，

都是由中国企业自主研发和制造的。

例如，上转换单光子探测器

用的铌酸锂波导芯片，

就是由济南量子技术研究院

和山东量子科学技术研究院有限公司

共同研制的。

除此之外，中国企业还制造了

能够快速产生大量量子密钥的

GHz高速量子网关，

在接入站点进行大规模加密和解密的

密钥管理机，

能够扩展网络的光量子交换机，

还有能够从一个局域网

接入另一个局域网的

量子VPN。

在京沪干线的分阶段建造中，

银监会、地方银监局和银行，

就已经在各自的系统中，

尝试应用量子保密通信了，

这会为量子通信的应用起到示范效果。

量子实验卫星的发射，

和量子通信京沪干线的建成，

标志着中国正在努力成为，

下一代信息技术的“领跑者”。

量子通信应用的大幕，

正由中国和世界各地的科学家一起，

徐徐拉开。

美指：牛猫

绘制：赏鉴

排版：胡豆

鸣谢：周飞，袁骁，周自恒

本篇来源：墨子沙龙公众号

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