量子密钥：开启保密通信“安全锁”

千百年来，进行安全信息传递一直是人类难以完成的梦想，不得不采取多种方法为信息传递保驾护航。《六韬》中就有利用不同长度阴符传递战场情报的记载，古罗马的凯撒密码盘和斯巴达人的“天书”密码等也提供了多种信息加密手段。第二次世界大战中，成功破译轴心国通信密码，对盟军最终取得战争胜利发挥了重要作用，至少使二战的时间缩短了8年。

事实上，无论多么高级别的密码系统，都不可避免地遭受着被破译的风险。尤其是在信息技术飞速发展的21世纪，人们对安全通信的需求越来越紧迫。为有效保护通信内容不被窃取，目前采取的主要方法就是加密通信。但现有的数据加密算法，并不能为保密通信提供绝对安全的“防火墙”。一方面，现有加密解密算法将随着数学理论的深入而遭到破解;另一方面，随着计算机技术的迅速发展，利用超级计算机针对经典加密算法进行破解已毫无技术障碍。传统加密算法已成为高悬在保密通信上方的“达摩克利斯之剑”，时刻威胁着国防、金融等领域保密通信系统的安全。

作为保密通信领域的“明日之星”，量子计算和量子密钥技术在最近几十年得到长足发展。利用诸如电子自旋状态和光子偏振状态的量子系统不确定性和概率性，量子密钥可以构建复杂的密码系统。由于对量子态进行测量将会改变最初的量子态，通过量子密钥建立的密码可第一时间发现密码被窃取，从而有效抵抗针对密码系统的截取重发攻击，具有高度的密码安全性。

此次发射的量子通信实验卫星，将作为跨区域量子通信地面基站的太空“二传手”，为远距离传输的光子提高信号中继，解决光子在自由空间大范围传递信号衰减问题，为构建区域量子保密通信网络构建空天“慧眼”。除进行量子密钥分发实验外，我国首颗“墨子”号实验卫星还将在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，以充分验证空间范围内量子通信系统的可行性。

世界上的所有物质都是由微小粒子组成的，也就是说它们是量子化的。量子是物理量的最小单元，组成世界的基本粒子如电子、光子、原子等都是量子的表现形态。由于量子的特殊性质，实际测量时可发现量子也有多个分身。量子保密通信就是利用量子叠加原理，将量子的多个分身作为安全通信的密钥，一旦该密钥被窃听或测量，量子的其他分身态会随机消失，窃听者的存在会引入额外误码，信息发送方和接收方都可以迅速测量到这一变化，从而中断该次密钥传输，重新设定量子密钥，直至量子密钥安全传输到信息接收方。

理论上，使用量子密钥加密的通信系统不可能出现盗听现象，“守口如瓶”的量子密钥系统因为各国竞相研发而变得“炙手可热”。20世纪70年代，英国和美国最早开展量子计算领域的研究工作。早在1993年，英国国防部就首次在光纤中实现基于BB84方案的相位编码量子密钥分发实验。1999年，世界上首个量子密钥分配的无条件安全性被成功证明。近年来，世界各主要大国都在开展量子通信技术的研究工作，量子计算的理论和实践都相继取得重大进展，产生了多种新的量子算法。丹麦科学家利用集成光学方法开展的量子密码芯片研究，目前已经取得初步成果。我国科学家早在2003年就开始构想量子科学实验卫星计划，目前已成功实现量子线路长度125公里的城际量子密钥通信实验，标志着量子密钥分配系统即将进入实用阶段。

在军事应用领域，各国军队围绕密码破译与反破译的斗争早已进入“白热化”阶段，量子密钥更成为引领未来军事革命的颠覆性、战略性技术。美国国防部高级研究计划局专门制定“量子信息科学和技术发展规划”、研发量子芯片的“微型曼哈顿”计划，加速推进量子信息技术的实际应用，目前白宫和五角大楼已安装量子通信系统并投入使用。日本研究人员用量子密钥技术实现87公里的信息安全传输，德国慕尼黑大学和英国军方研究机构成功在德国和奥地利边境的楚格峰和卡尔文德尔峰之间用激光传输量子密钥。此外，英、法、德、日、瑞典等国军方也相继制定并实施一系列发展量子信息技术的计划。