隨著時(shí)代飛速發(fā)展，信息的快速傳遞和廣泛應(yīng)用已成為人們生活和社會(huì)發(fā)展的重要組成部分。然而，信息安全問(wèn)題也隨之而來(lái)，尤其是在外交、軍事、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域，信息的保密性至關(guān)重要。量子通信技術(shù)的出現(xiàn)，為解決這一問(wèn)題帶來(lái)了新的曙光。它基于量子力學(xué)的基本原理，對(duì)量子態(tài)進(jìn)行精密操控，以實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)間的信息傳遞，被認(rèn)為是一種無(wú)條件安全的通信方式。

量子通信的“鑰匙”

量子密鑰分配是量子通信中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其核心在于確保通信的安全性。1984 年，物理學(xué)家Bennett 和密碼學(xué)家Brassard 提出了基于量子力學(xué)測(cè)量原理的 “量子密鑰分配 BB84”協(xié)議。該協(xié)議利用光子的偏振特性來(lái)傳遞密鑰，光子的偏振方向與特定的二進(jìn)制編碼相對(duì)應(yīng)，發(fā)射端和接收端隨機(jī)選擇測(cè)量基進(jìn)行測(cè)量，從而生成一組二進(jìn)制量子密鑰。

BB84量子密鑰分配協(xié)議

光子是光的基本粒子，其偏振方向可以形象地理解為電場(chǎng)矢量在空間中的指向。常見(jiàn)的有水平（Horizontal）和垂直（Vertical）方向，分別用 H 和 V 表示，這兩個(gè)方向相互垂直，構(gòu)成了一個(gè)偏振基。另外，還有與水平和垂直方向成 45° 角的方向，也常被用于量子密鑰分配協(xié)議中，分別表示為 “+”（正 45°）和 “×”（負(fù) 45°）。

我們可以這么理解，如果把光子比作硬幣，那么光子的偏振方向就好比硬幣的偏轉(zhuǎn)角度。BB84 協(xié)議就好比選取了光子的四個(gè)偏轉(zhuǎn)角度，并且將這些偏轉(zhuǎn)角度與特定的二進(jìn)制編碼相對(duì)應(yīng)起來(lái)。在密鑰分配時(shí)，發(fā)送端和接收端需要隨機(jī)設(shè)定兩種 “洞口”，即測(cè)量基，如 “+” 和 “×”，讓具有特定偏振方向的 “硬幣”（光子）通過(guò)。在測(cè)量完成后，雙方通過(guò)經(jīng)典通信信道交換各自使用的測(cè)量基以及測(cè)量結(jié)果。若雙方的測(cè)量結(jié)果一致，說(shuō)明該部分密鑰安全；若出現(xiàn)一定概率的不一致情況，就意味著可能存在竊聽(tīng)。這是因?yàn)樵诹孔用荑€分配過(guò)程中，一旦存在竊聽(tīng)者，其測(cè)量行為會(huì)不可避免地干擾光子的狀態(tài)。比如，當(dāng)竊聽(tīng)者測(cè)量 “硬幣”（光子）的偏轉(zhuǎn)角度后再將其發(fā)送給接收方時(shí)，由于測(cè)量操作會(huì)改變 “硬幣”（光子）的偏轉(zhuǎn)角度，接收方就有 1/4 的概率會(huì)得到與發(fā)送方不同的測(cè)量結(jié)果。一旦發(fā)現(xiàn)這種差異，發(fā)送方和接收方就會(huì)停止密鑰分發(fā)。因?yàn)檫@表明當(dāng)前的密鑰分發(fā)過(guò)程不安全，所以需要重新選擇安全的環(huán)境進(jìn)行操作，直到確認(rèn)沒(méi)有竊聽(tīng)為止。這種特性使得量子密鑰分配理論上能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)條件安全的密鑰共享，從根本上保障了密鑰的安全性。

通過(guò)BB84協(xié)議，發(fā)送端和接收端最終會(huì)得到一個(gè)完全相同的隨機(jī)密鑰。接下來(lái)他們可以用這個(gè)密鑰加密真實(shí)信息。發(fā)送端通過(guò)傳統(tǒng)密碼學(xué)將信息轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制明文后，就可以通過(guò)經(jīng)典信道（普通網(wǎng)絡(luò)）發(fā)送密文給接收端。接收端用相同的密鑰解密后會(huì)先得到原始的二進(jìn)制明文，通過(guò)傳統(tǒng)密碼學(xué)將二進(jìn)制明文轉(zhuǎn)換為文本后，接收端就能成功讀取信息了。

BB84量子密鑰分配協(xié)議示意圖

從地面到太空：量子通信的發(fā)展歷程與突破

當(dāng)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)量子秘鑰分配的原理后，它們又是進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的呢？在地面光纖網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面，世界第一條量子保密通信主干線路 “京滬干線” 的建成是一個(gè)重要里程碑。不過(guò)，地面光纖在傳輸過(guò)程中會(huì)損失信號(hào)，這個(gè)問(wèn)題限制了量子通信直接傳輸?shù)陌踩嚯x。為了延長(zhǎng)傳輸距離，需要建立多個(gè)可信中繼站，但這又增加了信息被竊取的風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何延長(zhǎng)光量子通信直接傳輸?shù)陌踩嚯x成為了研究的難點(diǎn)之一。

天地相連的量子通信網(wǎng)絡(luò)（示意圖）

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家們將目光投向了外太空。外太空近乎真空的環(huán)境使光信號(hào)的損耗變小，利用量子衛(wèi)星作為中轉(zhuǎn)站還能夠連接多個(gè)城市的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，拓展量子通信的距離。我國(guó)的天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了 “量子密鑰分配專項(xiàng)” 實(shí)驗(yàn)，其荷載的 “量子密鑰分配試驗(yàn)空間終端” 通過(guò)與地面終端配合，建立起量子信道，進(jìn)行了空——地量子密鑰分配試驗(yàn)，為未來(lái)實(shí)用化天地一體廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。此外，“墨子號(hào)” 量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星也在量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮了重要作用，它與 “京滬干線” 等地面站點(diǎn)相連，構(gòu)建了天地相連的量子通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了每秒幾千比特的密鑰生成速度，有效保護(hù)了信息安全。

量子密鑰分配試驗(yàn)空間終端（示意圖）

量子通信技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。在日常生活中，當(dāng)我們進(jìn)行網(wǎng)銀交易、上網(wǎng)瀏覽視頻、點(diǎn)餐外賣等操作時(shí)，量子加密技術(shù)可能在背后默默守護(hù)著我們的信息安全，防止個(gè)人隱私泄露和數(shù)據(jù)被竊取。在航空航天領(lǐng)域，對(duì)于高度機(jī)密的數(shù)據(jù)傳輸，量子通信更是不可或缺，它能夠確保重要信息的安全傳遞，避免因信息泄露而導(dǎo)致的嚴(yán)重后果。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，量子通信將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為信息安全保駕護(hù)航，推動(dòng)社會(huì)朝著更加安全、高效的方向發(fā)展。

量子通信作為一項(xiàng)具有革命性意義的技術(shù)，憑借量子密鑰分配的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，從地面到太空不斷發(fā)展突破，在信息安全領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力和應(yīng)用前景，正逐步將 “天機(jī)不可泄露” 變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

部分信息來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院、新華網(wǎng)、國(guó)家密碼管理局官方網(wǎng)站等：

（科學(xué)性審核：陸朝陽(yáng)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授，上海研究院執(zhí)行院長(zhǎng)；

彭承志，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)杰出講席教授，博士生導(dǎo)師，美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士）

責(zé)任編輯：王磊