量子通信：研究人員通過測量編碼激光束中的「量子態」有新發現

E安全6月27日訊 經德國埃爾朗根馬克斯普朗克研究所（Max Planck Institute）的研究人員研究驗證，可測量衛星（距離地球3.8萬公里遠）激光發射的地面量子態，這是首次從如此遠的距離測量量子態（微觀粒子的運動狀態）。

基於衛星的量子加密網路將為遠距離發送的加密數據提供極為安全的方式。在短短五年時間內開發此類系統的效率極高，因為大多數衛星需要約10年的開發時間。通常情況下，從計算機到螺絲在內的每個組件必須經過測試和審核才能在殘酷的太空環境下工作，並需在發射期間經歷重力變化才能「存活」。

藉助光保護數據安全

現如今，簡訊、銀行交易和健康信息均根據數據演算法加密處理，現代的銀行交易和網路支付基本使用RSA加密演算法，這種方法奏效的原因在於，其非常難以確定加密數據的具體演算法。然而，專家認為，未來10年到20年，一旦有人發明了量子計算機就很可能破解這種演算法，因此傳統的密碼不安全。

量子通信

日益嚴峻的安全威脅要求人們注重更強大的加密技術，例如量子密鑰分配。這種密鑰分配不依賴數學，而是使用光粒子屬性即量子態進行編碼，並發送解密編碼數據所需的密鑰。這就是利用了量子通信原理，在生成和發送加密信息用的密碼的時候利用了部分量子力學。因為量子通信的密碼不是預先設定死的，而是在通信的時候隨機產生，因此能夠不被竊聽和破解，這是因為每次只發送一個光子，竊聽者也不能複製一個一模一樣的光子來（否則違反「量子不可克隆定理」），如果某人試圖測量光粒子竊取密鑰，通信各方將會收到密鑰被攻擊或不得使用密鑰的提醒，從而改變光粒子的行為，即該系統檢測到竊聽就意味著通信是安全的。

量子加密的方法已經開發了十多年，但在遠距離下不奏效，因為地面電信網路光纖中的殘餘光損耗削弱了敏感的量子信號。由於量子信號能夠因傳統的光學數據進行再生，因此在不藉助光學放大器改變屬性的情況下就無法再生。為此，最近有人推動開發基於衛星的量子通信網路，以連接不同都市圈、國家和州基於地面的量子加密網路。

雖然新發現表明，量子通信衛星網路不需要從頭開始設計。德國馬克斯普朗克光科學研究所的克里斯托夫·馬夸特指出，將基於地面的系統轉化為基於量子的加密讓量子態與衛星通信仍需5至10年。

為何要測量量子態？

馬夸特的團隊與衛星通信公司Tesat-Spacecom

GmbH和德國航天局緊密合作研究量子態。德國航天局先前代表德國經濟能源部與Tesat-Spacecom簽訂合同，開發威脅光通信技術。「哥白尼」（Copernicus）激光通信終端以及歐洲數據衛星系統SpaceDataHighway目前已將該技術在太空用作商用。Copernicus是歐盟的地球觀測計劃。

事實證明，這項衛星光通信技術的運作模式與馬克斯普朗克研究所開發的量子密鑰分配相似。因此，研究人員便決定測試，是否有可能測量編碼激光束（由太空其中一枚衛星發出）中的量子態。2015年及2016年初，這支研究團隊在西班牙特納里夫島Teide天文台的地面站進行測量。他們在衛星不會運作（正常情況下）的範圍內創建了量子態，並能從地面對量子進行限制性測量。

馬夸特表示，根據測量結果可以推斷，到地球的光非常適合作為量子密鑰分配網路。研究人員十分驚訝，因為這個系統並非為此目的而構建。工程師在優化整個系統上表現卓越。

研究人員目前正與Tesat-Spacecom和航天行業的其它公司合作，基於太空使用的硬體設計升級系統。這就要求升級激光通信設計，融合基於量子的隨機數發生器，以創建隨機密鑰，並集成密鑰的後置處理。

馬夸特還指出，航天行業和其它組織機構對實施這些科學發現表現出濃厚的興趣。並表示， 他們作為基礎科學家正與工程師合作創建更出色的系統，並確保不忽視細節。

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