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量子通信：永远解不开的密码

最近因为有新闻说中国要在2015年发射量子通信卫星，进而晚上一片热议量子通信, 而这个概念涉及到比较专业的领域, 故转载一篇文章, 较为深入浅出的诠释这一名词及军事方面的重大意义.
　　"科幻电影里常有这样的场景：乘客走进“超时空传送机”，机器开始运转，一眨眼乘客就被传送到数万光年以外的星系。近日，中国科学家在“量子通信”方面的顺利进展——实现了目前世界上最长距离的“量子通信传输”，引起了公众的普遍好奇，这很大程度上是因为一些媒体的报道中，把量子通信的性质理解为上述的“超远距离瞬移”——从地球遁去火星，耗费时间为零。
　　实际上“量子通信”倒没有这么神奇。这种通信技术的激动人心之处，不在于传播信息的速度，而是它“绝不泄密”的本事。
　　“科学家所做的，就是寻找合适的方法，让量子通信能够逐渐增加距离，最终投入实用。”在中国科技大学教授，量子信息学家韩正甫看来，中国科学家近年在这一领域的持续进展，让量子通信技术开发的前景越来越光明。
　　为什么量子通信能不被窃听
　　先回头说说量子理论，20世纪初的实验发现，能量或物质细小到一定限度，就无法被准确测量了（测不准原理）。因为测量意味着干涉，当被测量物微小到了极限，就不可能不被测量完全改变。理论上完美到极致的显微镜，对于一个量子级别的粒子也束手无策，因为一“碰”就毁坏了粒子的待测状态。
　　量子理论作为现代物理学的核心理论，百年来被无数次证明和应用，也被每一个物理学家熟知。而利用量子效应来保护通信密码的创意，是上世纪80年代美国人提出的。
　　这个想法的实质在于：假如让量子态的粒子携带密码信息，就不会被半路监测和盗取了。换句话说：如果信息仅“附着”在一个光子或电子上，当间谍“偷听”时，信息就被偷听动作改变了。靠着极端“脆弱”，这条信息通道可以保证内容的绝密。
　　科学家如何利用量子来传输信息呢？这就要用到“量子纠缠”的物理特性。
　　量子纠缠：永远同步的双胞胎
　　《格林童话》里提到：一对双胞胎兄弟心灵相通，即便是分道扬镳天各一方，弟弟遇难，哥哥即刻得知。
　　在微观世界里，也有“心灵感应”的可能。这就是曾被爱因斯坦称作“幽灵般的超距离作用”的“量子纠缠”。根据量子力学，有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系，不管它们被分开多远，只要一个粒子发生变化就能立即影响到另外一个粒子，即两个处于纠缠态的粒子无论相距多远，都能“感知”对方的状态。
　　量子纠缠现象，使得光子、电子甚至是原子之间能相互影响，相互制约，从而传递信息。理论上讲，这种纠缠可以使两点之间，不论距离的即时通信顺利完成。这种“超距离通信”不仅让人们感到新奇，而且给了科学家利用它来传递密钥的机会。
　　随机状态：偷不走的密码本
　　以往无论是二战时德军、日军的电报密码本，还是防盗版用的软件加密算法，总有被人偷走或破译的危险。然而，靠着量子纠缠的特性，科学家就可以给出一个无法窃取、也无从破译的密钥——你知我知，天不知地不知。
　　只要制造一对纠缠的粒子A和B，分别给信息的传送人和接收人，这对粒子就好像古代战争用的虎符一样，总是严格吻合的。
　　A粒子的状态，在传送人的测量下，表现为一系列随机值；由于A和B纠缠互感，所以十万八千里外的B粒子，也表现出了一系列的对应值。也就是说，发信人和收信人掌握了同一套随机数列——这就是密钥。
　　密钥的载体是量子态的粒子，所以不能被半路侦测（测不准原理）。有了绝对安全的密钥，传送人可以放心大胆地把信息加密后传出去了。偷窥者会对这些加密信息束手无策。
　　把密钥扔远，再扔远
　　量子密钥的创意无懈可击，但目前还不能投入大规模应用，原因是很难让一对纠缠粒子在长距离上保持稳定。在几米内有效的密钥，在几公里外就失真，然后消逝在虚空中了。因此超长距离的量子通信，似乎还停留在理论阶段。但在韩教授看来，这并不意味着研究人员的进展缓慢。事实上，近年来，中国科学家一直在刷新量子传输的距离纪录。
　　根据上个月的最新消息，中科大的研究团队，已经让纠缠态的高能光子对穿过10英里长的自由空间通道。这一距离是目前国际上自由空间纠缠光子分发的最远距离，也是目前国际上没有窃听漏洞的量子密钥分发的最大距离。
　　研究人员发现，在这个距离上接收端的光子，仍能响应留在后方的光子状态变化。远距传输的平均保真度为89%。这项突破意味着量子通信应用扩大到全球规模，也许不久就会到来。
　　同时，中科大的研究团队还首次证明了：纠缠光子在穿透等效于整个大气层厚度的地面大气后，其纠缠的特性仍然能够保持，并可应用于高效、安全的量子通信。科学家们正在计划开展更远距离的量子通信实验，下一步的目标是通过自由空间实现几百公里的量子通信，超越光纤传输的极限。
　　可以想象，未来应用了量子通信的战场和商界，许多间谍工具和知识将逐渐消亡。
　　■ 相关链接
　　被媒体误读的“量子通信”
　　一些媒体解读“量子通信”时，常常转载使用了“超时空传送”这个容易引起误解的词。的确，不论多远都能“互感”的量子纠缠，很容易让人疑问：这是不是意味着，信息速度上限为光速这个原理失效了呢？
　　事实上，纠缠的两个粒子尽管可以在很远的距离上一个影响另一个，但它们无法传递任何信息。以密钥为例，当双方共享同一套密钥时，并没有发生信息的传递——双方无法利用密钥做任何事情，直到加密的文本传来，密钥才有意义——传送加密文本的速度仍然不可能超过光速。相对论没有失效。
　　量子通信和传统通信的唯一区别在于，量子通信采用了一种新的密钥生成方式，而且密钥不可能被第三方获取。量子通信并不神奇。
　　■ 延伸阅读
　　量子密钥：从防伪钞创意到光纤通信
　　1970年代，哥伦比亚大学一位年轻学者提出了防范伪钞的量子货币的概念。根据他的理论，量子货币无法复制，一旦被复制就会损坏。不久，他把自己的想法写成论文投向一家专业性杂志。杂志编辑认为是天方夜谭，作了退稿处理。
　　1980年代初，美国密码专家彼尼特和一位加拿大密码学家研究了这位年轻人的设想，发现由此可以建立量子密码，随后BB84量子密钥方案问世。这也就是目前国际上使用最多的一种量子密钥方案。他们的研究结果在实验上得到了证明。
　　但是，BB84方案在从实验室装置应用到光纤网络的过程中，遇到了一个极大的难题——不稳定。各种因素都可能破坏它的稳定性，使传输码常常变成乱码。
　　为了解决稳定性，同时保证信息安全，科学家做了大量努力。近年来，中国科技大学郭光灿教授的课题组的新方案，可保证单向光子的稳定性和安全性，并已获得国际专利。课题组使用这一方案，在2005年租用的一条从北京到天津125公里的光纤上试用，结果非常令人满意。由此他们成功使这一技术从实验室走向了光纤网络。
　　量子计算机：量子力学的另一种应用
　　量子计算机经常会被拿来和量子通信并列，它们是量子力学在两个不同领域的应用。量子计算机的本质，是用量子器件替代传统计算机器件，借助量子器件更多样的物理状态，增加存储容量，简化电脑计算的方式。
　　具体来说，在经典计算机中，可能一个二极管的电压高低，代表这个比特的值是1或者0，而在量子计算机中，一个量子可以既是1又是0，有两个值。N个量子并排，就有2的N次方个值。
　　当量子电脑计算时，不同量子同时进行变换，然后按照一定的概率叠加在一起，得出计算结果，这种计算称为量子并行计算。量子可以叠加，而且互相干涉，这是量子计算的物理本质。
　　但相干性也给量子计算机的实现带来了困难——量子会受到干扰，丢失信息。目前无论是用光子还是电子做量子，设计者都要面对怎样长久保存量子信息的问题。
　　一旦研制出来，量子电脑的计算能力将极为强大，因为它让许多数值并行计算。但目前实现这种功能的电脑，还停留在实验室阶段。"

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最近比较火的新闻就是这个量子卫星与中国早在上世纪八十年代试验电磁炮的事儿了。之前我记的在一个帖子中回复说到了量子通信的问题，那会中国刚放出一点这样的消息，这次显然是有意宣传了。因为我个人对量子通信或是量子物理学也不是很了解所以就转了篇这样的文章也算是大家一起学习下吧。如果有精通这方面的朋友还喜欢多多科普。

[[i] 本帖最后由 Leinuo的延续 于 2012-1-21 21:28 编辑 [/i]]

如果能实现，那真的是非常好的事。保证军队通讯的保密性，配合我们的北斗。
这几年美国一边忙着中东那块，一边又把手伸到了东海和南海。加速我们的军事发展势在必行，可喜的是总能看到许多军工发展的消息。航母、J20、D21等等都是暴露给我们能看到的，包括量子通信的消息，也有许多不成熟或者不能曝光的。
以前没钱我们都能搞原子弹，卫星。现在有钱了，更要追赶上去。

量子通信和别的新科技在刚开始的时候都是说得很美好，到底如何？还要靠实战

这有点瞎吹了，如果解不开，那你又怎么接收呢？能接收就能破解，不能用静止的观点去看问题。加密技术发展了，破解技术也会发展，这个世界没有什么“永远解不开的密码”。

机器同学转的这个帖子技术含量太高俺这个文盲确实看不太懂，但联想到目前流行的穿越来说倒是很有点意思。科学理论上的时光倒流理论上应该是成立的，但无法解决超光速的动力问题，好像nb的核动力也是没戏的。同时人的肉身好像也无法承受，除非人类基因变异或者修真以后的元婴离体。最后文盲认为量子通信的理论是可行的，但稳定和抗干扰性将是无法克服的难题~类似超光速。

关于量子密码的东西，计算机专业本科的教材里就能接触到，基本原理并不复杂，跟什么超光速一点关系都没有。楼上的不愧为忽悠集团CEO，元婴离体都能扯出来，胡扯也能加分，佩服啊佩服！

目前使用的对称密钥，或者非对称密钥，都是基于的数学上的计算和求解的复杂性。由于可以暴力破解，密钥挨个的试，所以理论上所有的密码都是可以破译的。
现阶段密码的可用性只是建立在密钥的安全周期上。50年代美国人搞的DES密码，按当时计算机的运算速度，穷历破解密文需要几十年，原以为很安全了。结果3年后，特殊设计的计算机在几小时内就破解了DES。
现在比较常见的RSA密码，采用了1024位密钥，理论上全世界的计算机一起破解，也要等到宇宙消亡了才能破解出来，这样基本上也就够用了。
我们现在用的微软IE6的浏览器已经可以支持128位密钥长度了，2000年以前的IE5浏览器，只有54位加密。就是因为美国政府禁止出口64位加密的产品。理由是如果本拉登之类的恐怖分子传送消息时候用了64位加密，CIA自己破解起来也费事。

最新的量子密码技术，本身是建立在量子力学的基础上。量子力学中，量子纠缠实现了量子通讯。量子不可克隆原理，实现了密码本身的安全。量子的森堡测不准原理，实现了密码不会被窃听。由此，密码安全中的加密、认证、防篡改都被建立起来了。4楼没有理解“量子密码理论上不可破解”的意思。

可以传送量子密钥的的保密通讯系统，2004年左右美国和瑞士就已经有商业公司开发出来的。理论上不存在障碍，主要是技术上，保存、操纵宏观尺度的量子客体有困难。量子中继技术、量子远程通讯技术，现在都没有攻克。至于说什么量子卫星，目前是不可能的。

话说回来，只要量子计算机没有出现，现在的非对称密钥体系，只要密钥长度足够长，那么就是安全的。军方没有足够的动力的推进量子密码。历史上，没有军队和战争的需要，密码技术就不会有突进式的发展。

我们需要高端的科普知识

这样的内容的确需要很深的专业知识才能理解，但就论坛而言，这样的内容很值得推广啊。本人也非专业人士，但有感与我国高端技术发展特别是军事运用方面的研发，这样的知识应该普及。我想很多国人大都都深深知道一个重要的命题：科技是第一生产力！可以带动整个国民产业的持续发展，老美就是个例子，假如老美没有抢占先进的武器制造前沿阵地，估计现在的老美早就歇菜了吧。
    本板块不就是军事贴子嘛，越是高端的军事科技知识就越应该普及。就楼主的帖子而言，本人感觉意犹未尽，而且不仅仅限于此类帖子。说实在的，最近看到很多相关的帖子，特别是与军事有关的科研发展内容，有种很深很深的紧迫感，至少到目前为止，我们的很多军事装备、武器系统还是停留在仿制（或者山寨）阶段，即使美名其曰自主研发，但有多少内容是真正自主研发的呢？为何我们总跟在人家屁股后面发展，受制于人？为何我们不去广泛普及一些高端科技含量高的知识呢？不是我们国人冷漠，是宣传力度不够吧？！而对于我们这些军事爱好者，有几个真正了解我们的军事科研发展现状呢？而且楼主转摘的这个帖子，应该是技术已经相当成熟了，只不过短期内无法推广应用。作为一个军事爱好者，这样的知识我们应该有所了解，最起码我们应该知道它的存在，而不至于孤陋寡闻，只知道我们的军事实力如何如何，而不知与人的差距有多大，从而激起我们的发展动力。
    可能本人的话题与帖子内容不大相关，只是想到哪儿说到哪儿，不妥之处还请楼主见谅。再次感谢楼主的分享，好帖就得推广。 再次感谢！

天机不可泄露也！很多的新的技术不可以轻易示人的，否则很有可能引来该技术的灭亡。

6楼的老兄说得非常有道理，你的发言可以作为量子通讯的科普文章让大家来阅读了，有一点说得非常好，战争是推动科技发展最积极的力量。包括现在的量子通讯领域的研究，其实军方一直走在最前列。但是，只要没有量子计算机的应用，目前的加密技术还足以让各家不至于为了发展量子通讯技术全力以赴。

听说微软要开发意志操控的电脑,真的是想到的就可以实现,关键是我们需要一些想象力

世上有矛就会有盾，只是还没发现盾牌放在那里吧了

[quote]原帖由 [i]dingfang[/i] 于 2012-1-26 03:36 发表 [url=http://www.sexinsex.net/bbs/redirect.php?goto=findpost&pid=78701426&ptid=4258116][img]http://www.sexinsex.net/bbs/images/common/back.gif[/img][/url]
关于量子密码的东西，计算机专业本科的教材里就能接触到，基本原理并不复杂，跟什么超光速一点关系都没有。楼上的不愧为忽悠集团CEO，元婴离体都能扯出来，胡扯也能加分，佩服啊佩服！

目前使用的对称密钥，或者非 ... [/quote]
我有一点不太明白的是，现在说到的量子通信如果有人在中途想窃听就会破坏量子通信的“完整性”也就会让收发双方均知道有人在窃听信息或是破解，那如果我得到了接收机了是不是就不会出现破坏通信完整性这个问题了？

回复 12楼 的帖子

外行看还是属于矛与盾的问题，类似穿越的那个话题，回到从前杀死了自己的外祖母或者杀死以前的自己，那这个穿越者还能存在不？我这个外行不敢质疑量子通信的理论，但是目前有些理论就是矛盾的，呵呵。记得永动机么，现在还有人在研究滴。

本来一直不知道是什么东西，现在才知道原来是绝对保密的传输技术，科普贴

量子这东西，我上初中那会好像很热。也许是我刚好看到。现在好像很冷门了。不见报道了

量子通信我国处于世界先进水平，去年领头人院士也评上了，未来几年经费有保障，看好出成果。

我本人是感到量子这个东西有点抽象,不可捉摸,像之前说的什么量子计算机,但是虽然速度快了,能源的消耗也大大的增加了.

量子通信,从一开始被炒作的很热，但是距离实际应用具有难以解决的问题，现在看来是只是概念性的