量子通信丨量子密钥升级信息安全堡垒

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2017年某晚，中国卫星墨子号（Mozi，又称Micius）将激光器瞄准了中国东北部的一个地面站。而后，在奥地利进入射程时，它又将激光射束指向了奥地利的一个接收器。

这标志着墨子号首次传递了用于解密和查看信息的量子密钥。借助这些密钥，中国和奥地利的科学家能够交换和解密加密图像。

2017年9月29日，中国科学院（Chinese Academy of Sciences）与奥地利科学院（Austrian Academy of Sciences）的研究人员通过该系统举行了一场75分钟的加密视频会议。

该项目的成功表明，基于卫星的量子加密技术能够让全球用户远距离安全地交换数据。为确保未来的数字安全，许多国家和公司正在建立这些网络。“这绝对是量子通信的一大突破”，索邦大学（Sorbonne University）的量子物理学家Eleni Diamanti说。

☝  正在建造和测试的Mozi卫星的实际图像。

图片来源：Cai Yang（新华社）

量子密码学正变得必不可少，因为另一种新兴技术——量子计算机正威胁着通信加密技术，而通信加密技术目前正保护着在线金融交易、手机通话和短信，以及许多其他通信类型。

为了阻止窥探者，目前支持这些传输的加密过程需要两个密钥——公钥和私钥。尽管任何人都可以访问公钥，但黑客无法破译他们拦截的通信，因为他们缺少私钥。

破解密钥是非常困难的，因为它涉及将大量数字分解为素数或解决其他复杂的数学问题。但量子计算机的速度比现在的机器快很多倍，破解这些密钥的难度降低。

安全专家预测，一台高速量子计算机可以在不到一天的时间内破解1024 bit的Rivest-Shamir-Adleman（RSA）加密（这是当今的标准之一）。路易斯安那州立大学（Louisiana State University）的理论物理学家Jonathan Dowling说，目前还没有量子计算机原型具备这种能力，但它们的计算能力每六个月就会翻一番。

依赖于量子加密技术的通信网络将具有更高的安全性，因为它们编码了在光子流中解密消息所需的密钥。由于量子行为规则，这些密钥的优点是有一个内置的警报。如果窃听者截获了密钥并传递副本，密钥就会更改并提醒合法用户他们的密钥已被窃取。

虽然一些陆基量子网络已经开始运行，但卫星可能会克服它们最大的局限性：传输信号会在几百公里的距离内消失。世界上最长的地面量子网络于2017年开始运行，从上海至北京距离超过2000 km。相比之下，卫星信号主要通过空间移动并且减弱得更慢，因此它们可以进一步传输量子密钥。

潘建伟和他的同事计划发射更多的卫星，以提高Mozi的性能。不过，“与地面通信相比，量子通信还有很长的路要走”，Clark说。例如，Mozi只能在夜间发射，而且它的低地球轨道意味着它大部分时间都在地面站的范围之外。

Diamanti和Dowling认为，量子通信的下一步发展可能是纳米卫星舰队。Dowling表示，每台智能手机大小的设备都可以生产和发射大数据，并且可以用激光指示器的方式传输数据，生产成本低廉，数量庞大。这种基于纳米卫星的网络可以有效地执行必要的量子密钥分发，从而在全球范围内实现高度安全的远距离通信。

✎改编丨沈晓晶

☟ 改编原文

Mitch Leslie.Quantum Cryptography via Satellite[J].Engineering,2019,5(3):353-354.

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