1.8　通信編碼需要大智慧

1.8.1　解說(shuō)通信編碼

量子通信衛(wèi)星的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是“量子密鑰分發(fā)”，其實(shí)就是一種加密通信，跟發(fā)電報(bào)、網(wǎng)絡(luò)支付沒(méi)什么兩樣，只不過(guò)它生成和發(fā)送密碼的時(shí)候利用了量子力學(xué)。

這里說(shuō)的密碼可不是賬戶的登錄密碼，而是一種加密信息用的密碼。例如，你想加密IBM三個(gè)字母，可以規(guī)定“把每個(gè)字母替換成字母表的相應(yīng)的前一個(gè)字母”，IBM就變成了HAL，“替換成字母表的相應(yīng)的前一個(gè)字母”就是一種加密的密碼。

這樣的密碼太容易破解了，在實(shí)戰(zhàn)中用的密碼則復(fù)雜得多。可是密碼再?gòu)?fù)雜又如何，就跟華山論劍一樣，該破的時(shí)候還是會(huì)破。例如，第二次世界大戰(zhàn)的時(shí)候，日本海軍各個(gè)單位都用同一套密碼本，其中的密碼都是規(guī)定死的。一旦敵方繳獲了密碼本，或者破解了部分密碼，就會(huì)獲取大量軍事機(jī)密。結(jié)果美軍破解了密碼，摸清了日本海軍總司令山本五十六的行蹤，導(dǎo)致山本五十六坐飛機(jī)時(shí)被擊落。

德軍倒是機(jī)靈一點(diǎn)兒。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種機(jī)器，在運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生成千上萬(wàn)種新的密碼，叫作恩尼格碼密碼機(jī)，但是對(duì)方繳獲謎機(jī)后，也可以制造專門(mén)破解謎機(jī)的機(jī)器，所以英軍破解了謎機(jī)，加快了納粹德國(guó)的滅亡。

現(xiàn)代的銀行交易和網(wǎng)絡(luò)支付都使用一種RSA加密算法。假如將來(lái)有人發(fā)明了量子計(jì)算機(jī)，就完全有可能破解這種算法。

到時(shí)候上網(wǎng)購(gòu)物就麻煩了！所以，傳統(tǒng)的密碼系統(tǒng)不安全。要想更安全，就得使用物理學(xué)家發(fā)明的“量子通信密碼”。量子通信衛(wèi)星發(fā)送的正是這種密碼。

憑什么說(shuō)量子通信更加安全呢？因?yàn)榱孔油ㄐ诺拿艽a不是預(yù)先規(guī)定死的，而是在通信時(shí)隨機(jī)產(chǎn)生的。量子密碼分發(fā)的三大步如下。

（1）傳輸一段由0和1組成的隨機(jī)比特：10100011。

（2）由于量子的隨機(jī)性，接收方在接收每個(gè)比特時(shí)，都有一定概率出錯(cuò)：1X10X01X。

（3）雙方溝通一下，刪除錯(cuò)誤的比特，剩下的比特就是隨機(jī)產(chǎn)生的正確密碼。

量子力學(xué)可以保證這樣的密碼不可能被竊聽(tīng)，不可能被破解。

1.8.2　我要說(shuō)的是“悄悄話”

現(xiàn)代密碼學(xué)（密碼）依賴名為素?cái)?shù)因子分解的數(shù)學(xué)函數(shù)。基本上，大數(shù)被分解成素?cái)?shù)，然后這些素?cái)?shù)可以相乘，從而得到大數(shù)。經(jīng)典計(jì)算機(jī)并不擅長(zhǎng)于這方面，要花很長(zhǎng)時(shí)間才能破解基于素?cái)?shù)因子的加密代碼。不過(guò)你也猜到了，量子計(jì)算機(jī)確實(shí)很擅長(zhǎng)于此。

世界各國(guó)政府都在競(jìng)相制造能夠淘汰所有現(xiàn)代形式密碼的量子計(jì)算機(jī)。

為了開(kāi)發(fā)出防止黑客的通信，中國(guó)已經(jīng)將世界上第一顆量子衛(wèi)星送入軌道，如圖1-21所示，這顆衛(wèi)星的名字叫“墨子”（Micius）。“墨子”旨在研發(fā)出遠(yuǎn)距離量子加密通信。

量子加密是指：使用量子密鑰分配（QKD）方法，遠(yuǎn)距離發(fā)送糾纏的光粒子（糾纏光子），以達(dá)到確保敏感通信安全的目的。

在QKD中，發(fā)送方和接收方都通過(guò)為每個(gè)光子分配0或1，以此測(cè)量他們接收到的糾纏光子的極化。使用這種方法創(chuàng)建了量子密鑰，而量子密鑰可用于加密和解密傳輸保密信息。

最重要的一點(diǎn)是，如果量子糾纏光子被任何人攔截，系統(tǒng)會(huì)立即顯示受到干擾的跡象，表明通信不安全。

1. 量子密鑰傳輸偷不走的秘密

以往被認(rèn)為最安全的信息傳遞方式是光纖通信。光纜能把所有的光能限制在光纖里，外面得不到能量，所以這個(gè)傳輸被認(rèn)為是安全的，但隨著科技的發(fā)展，只需讓光纜泄露哪怕很少一部分能量，就能夠竊聽(tīng)光纜傳遞的信號(hào)。

科學(xué)家表示，這是因?yàn)榻?jīng)典通信的信號(hào)只有0和1，發(fā)生竊聽(tīng)時(shí)，這兩種信號(hào)不會(huì)被擾動(dòng)。比方說(shuō)，兩人打電話時(shí)，他人可通過(guò)竊聽(tīng)器從通信線路中的上千萬(wàn)個(gè)電子中分出一些電子，使其進(jìn)入另一根線路，從而實(shí)現(xiàn)竊聽(tīng)，而通話者無(wú)法察覺(jué)。美國(guó)“棱鏡門(mén)”等事件的曝光便是最好的例證。

而量子通信則完全不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)情況，這是因?yàn)槠涿荑€具有不可復(fù)制性和絕對(duì)安全性。一旦有人竊取密鑰，整個(gè)通信信息就會(huì)“自毀”并告知使用者。

例如，甲、乙二人要進(jìn)行安全通信，甲發(fā)出的光子信息狀態(tài)有水平、豎直、45°等，假設(shè)有人竊聽(tīng)，由于光子不可分割，首先，竊聽(tīng)者根本無(wú)法分割出“半個(gè)光子”；其次，因?yàn)閱未螠y(cè)量測(cè)不準(zhǔn)、不可克隆的量子態(tài)特性，竊聽(tīng)者無(wú)法復(fù)制信息；再次，一旦竊聽(tīng)者截獲光子，乙就收不到信息，也就不存在竊聽(tīng)。

無(wú)論怎樣，根據(jù)量子力學(xué)原理，竊聽(tīng)都可以被發(fā)現(xiàn)。一旦被發(fā)現(xiàn)，原有密鑰立即作廢。甲就可以把沒(méi)有被竊聽(tīng)的密鑰傳送過(guò)去，利用產(chǎn)生的密鑰進(jìn)行完全隨機(jī)的加密。所以，利用量子不可復(fù)制和不可分割的特性可以實(shí)現(xiàn)安全量子密鑰分發(fā)，實(shí)現(xiàn)不可破譯的保密通信。

換句話說(shuō)，量子衛(wèi)星上天后，其發(fā)送的每一封信都將是只有天知地知、你知我知的秘密。

2. 量子密碼術(shù)：幫Bob（鮑勃）和Alice（愛(ài)麗絲）傳悄悄話

Bob與Alice，他們是誰(shuí)？?jī)扇耸裁搓P(guān)系？是不是遠(yuǎn)隔異地的戀人，每天有說(shuō)不完的悄悄話？

其實(shí)這兩個(gè)名字，只是在密碼學(xué)和計(jì)算機(jī)安全中的慣用角色，他們不一定是“人類(lèi)”，有可能是一個(gè)計(jì)算機(jī)程序。通常人們都把Bob作為發(fā)送者，把Alice作為接收者，我們后面出現(xiàn)這兩個(gè)角色時(shí)不再解釋，以此為準(zhǔn)。

20世紀(jì)80年代，量子物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，利用量子力學(xué)的基本原理，可以保證信息從Bob傳給Alice的安全性，這就是“量子密碼術(shù)”。

1）量子密鑰分發(fā)——最接近實(shí)用化的量子技術(shù)

量子通信就是利用量子力學(xué)基本原理實(shí)現(xiàn)信息的傳輸，而量子保密通信是量子通信的最主要分支，是以保密通信為主要任務(wù)，包括量子密鑰分發(fā)、量子秘密共享和量子安全直接通信三個(gè)主要方向。

量子密鑰分發(fā)模式在1984年創(chuàng)立，當(dāng)時(shí)兩位科學(xué)家班尼特和布拉薩德提出了第一個(gè)量子密鑰分發(fā)協(xié)議（BB84協(xié)議），之后B92、Ekert-91、BBM92等協(xié)議相繼提出。目前，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了1000多千米的量子密鑰分發(fā)，是最接近實(shí)用化的量子技術(shù)。中國(guó)的量子“京滬干線”、量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星等的科學(xué)目標(biāo)之一也是量子密鑰分發(fā)。

當(dāng)Bob與Alice相互發(fā)送信息時(shí)，量子密鑰分發(fā)技術(shù)通過(guò)分發(fā)量子密鑰能判斷是否被竊聽(tīng)，如果沒(méi)有被竊聽(tīng)，Bob會(huì)將信息發(fā)送給Alice；如果被竊聽(tīng)，Bob會(huì)放棄傳輸數(shù)據(jù)。

2）量子秘密共享——Bob與Alice間的第三者

量子秘密共享模式在1999年由三位科學(xué)家建立，他們提出了這種模式的第一個(gè)協(xié)議。該技術(shù)與量子密鑰分發(fā)有很大類(lèi)似性，可以看成是多方參與的量子密鑰分發(fā)模式。

在量子秘密共享中，Bob在發(fā)送信息給Alice時(shí)，為了給信息加密，Bob會(huì)在分發(fā)密鑰給Alice的同時(shí)，也將密鑰分發(fā)給第三方，Alice需要與第三方合作，才能破譯Bob的密鑰，獲得傳過(guò)來(lái)的信息內(nèi)容。

因此，量子秘密共享模式傳輸?shù)囊彩请S機(jī)密鑰，需要使用經(jīng)典通信才能完成信息傳送。而量子密鑰和量子秘密共享兩種技術(shù)存在一個(gè)問(wèn)題，人們總是在信息泄露發(fā)生之后才能發(fā)現(xiàn)竊聽(tīng)存在，而此時(shí)竊聽(tīng)者已然獲得了信息。為解決這個(gè)問(wèn)題，物理學(xué)家們使用一種叫作“一次一密”的方法加密原始信息，但加密后的信息通過(guò)普通而非量子的通信信道傳送并解密。中國(guó)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的工作示意圖如圖1-22所示。

3）量子安全直接通信——在信息泄露前發(fā)現(xiàn)竊聽(tīng)

如果物理學(xué)家們能夠在發(fā)送信息之前確保信息傳輸?shù)陌踩芊癫皇褂谩耙淮我幻堋钡姆椒ǎ苛孔影踩苯油ㄐ诺哪Ｊ骄筒恍枰孪冉⒚荑€，可利用兩個(gè)糾纏粒子的量子原理直接傳輸秘密信息，既能發(fā)現(xiàn)竊聽(tīng)，又能保證發(fā)現(xiàn)竊聽(tīng)之前的信息不泄露。

該技術(shù)的保密原理如下：信息發(fā)送者Alice留有每對(duì)糾纏中的一個(gè)光子，把另外一個(gè)光子發(fā)送給信息接收者Bob。Bob把他收到的光子隨機(jī)分成兩組，測(cè)量其中的一組光子并把測(cè)量結(jié)果公開(kāi)發(fā)給Alice。Alice根據(jù)測(cè)量結(jié)果核對(duì)傳輸后的粒子狀態(tài)有沒(méi)有被改變，如果改變了，說(shuō)明被竊聽(tīng)了；如果沒(méi)有被竊聽(tīng)，那么Alice和Bob就可以用剩下來(lái)的光子直接傳輸安全信息。

通過(guò)理論分析，這樣的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)幾十千米的量子安全直接通信。這種方式既可同時(shí)作為密鑰分發(fā)，還可用于構(gòu)造量子對(duì)話、量子簽名等新協(xié)議，是多用途的量子通信基本協(xié)議。