中國首個商用量子通信專網測試成功 絕對安全通信來了？

信息安全是大家關注的焦點，使用量子技術對信息進行加密是目前最有效的辦法之一。據央視新聞7月9日報道，我國首個商用量子通信專網——濟南黨政機關量子通信專網近日完成測試，保密性、安全性、成碼率的測試均達到設計目標，整套網路預計今年8月底正式投入使用。

我國首個商用量子通信專網測試成功（來源網路）

「絕對安全」的通信是千百年來人類的夢想之一，而在今日這個信息技術飛速進步的時代，「絕對安全」的通信卻幾乎是海市蜃樓。那麼用量子通信究竟能如何實現通信的「絕對安全」？跟其他的通信方式想比又有哪些「絕對」優勢？

信息安全的歷史發展

要說信息安全，其實並不是一個現代詞，早在古希臘時期，人們就已經發明了種種保密措施——斯巴達人將皮革包裹在特定尺徑的棍子上，再寫上傳遞給他人的信息。而信息的接收者只需要有根同等尺徑的棍子，收到皮革後再將皮革裹到棍子上就可以讀出原始信息。即便這張皮革中途被截走，只要對方不知道棍子的尺徑，所看到的也只是一些零亂而無用的信息。這就是歷史上記載的人類最早對信息進行加密的方法之一。

信息安全的發展歷程

20世紀初期，通信安全主要涉及電話、電報、傳真等，而在此過程中存在的安全問題主要是在信息交換階段，信息的保密性故而十分重要，因此，對安全理論和技術的研究更側重於密碼學。

20世紀60年代後，隨著計算機軟硬體的發展，單純靠複雜的密碼已經無法滿足保密的要求，人們對安全的關注已經逐漸擴展為以保密性、完整性和可用性為目標的信息安全階段。

20世紀80年代開始，由互聯網而產生的信息安全問題跨越了時間和空間，由此衍生出了諸如可控性、抗抵賴性、真實性等其他的原則和目標，信息安全也轉化為從整體角度考慮其體系建設的信息保障階段。

21世紀，信息安全現在已經由主機的安全技術發展到了網路的安全，從單層次的安全發展到了多層次立體的安全，從個人信息安全發展到了國家信息安全。據美國戰略和國際問題研究中心發布的數據顯示，網路犯罪每年給全球帶來高達4450億美元的經濟損失。

現代社會，信息安全總是陷入危機之中

「相對」的通信安全VS「絕對」的通信安全

隨著人們對於通信安全的要求愈來愈高，確保通信安全的手段也愈來愈多——傳統意義上，有幾種方法可以提供安全的通訊：第一種是保證傳輸介質的物理安全，即使任何人都不可能在傳輸介質上接上自己的竊密線或「竊聽」，一般會採用一種簡單的（但很昂貴）高技術加壓電纜，可以獲得通訊的物理安全；第二種方法是加密重要數據，即通過數學計算進行加密。

但從理論上來說，傳統的數學計算加密方法都是可以破譯的，再複雜的數學密鑰也可以找到規律，因此我們上述提到的都是「相對」的通信安全，也即在一定程度上都是可以人為破解的，那麼我們導引提到的由量子技術實現的「絕對」通信安全，是怎麼實現的呢？

量子通信原理

量子通信是量子信息學的一個重要分支，以量子態作為信息元實現對信息的有效傳送，具有絕對保密、通信容量大、傳輸速度快等優點，可以完成經典通信所不能完成的特殊任務，如構建無法破譯的密鑰系統等，因此量子通信成為當今世界關注的科技前沿。

量子通信的基本思想主要包括兩部分：一為量子密鑰分配，二為量子態隱形傳輸。

1. 量子密鑰分配

量子密鑰分配不是用於傳送保密內容，而是在於建立和傳輸密碼本，即在保密通信雙方分配密鑰，俗稱量子密碼通信。

1984年，美國的Bennett和加拿大的Brassart提出著明的BB84協議，即用量子比特作為信息載體，利用光的偏振特性對量子態進行編碼，實現對密鑰的產生和安全分配。BB84協議被證明是迄今為止無人攻破的安全密鑰分配方式。

通過量子密鑰分配可以對安全的通信密碼加以建立，在一次一次的加密方式下，點對點方式的安全經典通信便得以實現。量子通信的安全性保障了密鑰的安全性，從而保證加密後的信息是安全的。

量子密鑰分配加密（來源網路）

量子密鑰分配還有一個好處——不需要大面積地改造現有的通信設備和線路。由於它突破了傳統加密方法的束縛，以不可複製的量子狀態作為密鑰，具有理論上的「無條件安全性」。任何截獲或測試量子密鑰的操作，都會改變數子狀態。這樣，截獲者得到的只是無意義的信息，而信息的合法接收者也可以從量子態的改變，知道密鑰曾被截取過。最重要的是，與經典的公鑰密碼體系不同，即使實用的量子計算機出現甚至得到普及，量子密鑰分配仍是安全的。

2. 量子態隱形傳輸

量子態隱形傳輸的基本思想是：將原物的信息分成經典信息和量子信息兩部分，它們分別經由經典通道和量子通道傳送給接收者。經典信息是發送者對原物進行某種測量而獲得的，量子信息是發送者在測量中未提取的其餘信息；而量子通道是指可以保持量子態的量子特性的傳輸通道。接收者在獲得這兩種信息後，就可以製備出原物量子態的完全複製品。該過程中傳送的僅僅是原物的量子態，而不是原物本身。發送者甚至可以對這個量子態一無所知，而接收者是將別的粒子處於原物的量子態上。

量子態隱形傳輸應用示意圖（來源網路）

當隱形傳輸的量子態是一個糾纏態的一部分時，隱形傳輸就變成了量子糾纏交換。利用糾纏交換，可以將兩個原本毫無聯繫的粒子糾纏起來，在它們之間建立量子關聯。隱形傳態和糾纏交換可以把物體的量子信息在瞬間精確無誤地傳送到遙遠的地方，這看起來很像科幻電影中的瞬時傳送，利用它們可以實現超遠距離的量子密鑰分配，為全球範圍的通信加上一把安全的「量子鎖」。

可見，量子通信已然成為現代通信的必經環節，在我們導引新聞中，濟南黨政機關量子通信專網的核心機房，專網內的所有通信數據，量子加密後，與周邊數百平方公里的近200個終端進行保密通信。可以說是量子通信商用的「完美第一步」，這也為我們未來的通信安全提供了新的希望。

出品：科普中國

製作：山夕團隊 黨以凡

監製：中國科學院計算機網路信息中心

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本文由科普中國融合創作出品，轉載請註明出處。

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