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“不可克隆定律”和“測不準原理”成就量子通信的“天然保護罩”

時間:2019/8/8

“不可克隆定律”和“測不準原理”成就量子通信的“天然保護罩”

? ? ? 在電影《竊聽風云》中,竊聽者使用GSM阻截器,只需輸入目標的手機號碼,就能輕松進行竊聽。這讓人們對通信安全和保密性產生了質疑。那么有沒有一種通信保密手段,或者說是加密方式,可以保證通信絕對安全呢?答案是肯定的。這便是量子通信,其保證絕對安全性的核心在于量子密碼。

? ? ? 談到密碼我們并不陌生,尤其在軍事領域,因為密碼從誕生起就與戰爭密不可分。從古希臘伯羅奔尼撒戰爭中雅典間諜的腰帶情報密碼,到第二次世界大戰中破解納粹特工隱藏在模特長裙里的摩斯密碼,幾千年來密碼在軍事上的應用可謂層出不窮、千變萬化。如今,伴隨著科學的進步,尤其是計算機技術的迅速發展,在軍事通信領域,傳統的加密與破譯之間的攻防戰猶如棋盤上的黑白子博弈,堪稱“道高一尺,魔高一丈”。可量子密碼究竟有何特殊之處,能避免密碼被破解?

? ? ? 量子密碼,核心環節是“量子密鑰分配”。簡而言之,就是把光子形成的量子態作為信息載體,通過“量子通道”在特定的用戶之間傳送信息,而只有特定的用戶才可使用量子密鑰解密,解密之后才能閱讀信息。這看起來與其他密鑰加密技術差不多,都是進行“數字簽名”。但密鑰加密技術破譯起來雖極其困難,卻絕非不可能。那么,運用量子密碼技術,在這個過程中真的能確保“絕對安全”嗎?
? ? ? 答案還是肯定的。與其他密碼加密方法相比較,量子領域具備獨有的兩層“天然保護罩”,守衛著傳送信息和密鑰的安全。這就是量子物理學中著名的“不可克隆定律”和“測不準原理”。就像無數竊密題材影視作品中展現的那樣,“竊密者”一般都是悄悄把機密文件拍成照片復制一份,拿回去慢慢破譯,實現了竊取目的又不被發現。但是量子態的粒子十分微小,找到并截取粒子相比于竊取機密文件,在難度系數上有著質的差異。

? ? ? 首先,“竊密者”會遇到第一層“天然保護罩”。“不可克隆定律”,指的是絕不可能精確地克隆任意量子態的粒子,這與生物領域的認知是不同的。生物可以被克隆,但是任意一個量子態的粒子一旦被復制,原先的量子態則一定被損壞。在現代科技支持下,其他用戶可通過高超的方法和特殊的手段攔截量子態的粒子,但這種“竊聽”行為會觸發“不可克隆定律”這層“天然保護罩”,使量子態的粒子發生改變,立刻會被傳遞信息的特定用戶發覺。特定用戶就會“停止發貨”,密鑰即時“不再啟用”。

? ? ? 作為“竊密者”和“破譯者”,既然量子態的粒子不能被復制,那么,截取量子態的粒子后不進行復制,直接進行測量不就可以了嗎?很遺憾,這也不可能!因為如果這么做,就會觸發第二層“天然保護罩”——“測不準原理”。所謂“測不準原理”,就是不可能同時準確測量出微觀世界粒子的某些成對的物理量,比如速度與位置、時間與能量,等等,都是這些成對的物理量。“竊密者”掌握不了這些關鍵物理量,破解量子密碼也就如“老虎吃天,無從下口”了。
? ? ? 這兩層“天然保護罩”,讓量子通信成為不可被竊聽、保密性最強的通信手段。對于對通信保密安全性要求極高的軍事通信領域,傳統的軍事通信中依靠數學原理的傳統加密方式,在安全性方面受到了越來越多的挑戰。相比之下,量子密碼因其具有的特殊物理原理,對基于計算能力的破譯方法具有特殊天然的“免疫力”。

? ? ? 當前量子通信技術還處于試驗階段,不過已經取得了一些可喜的成就。相信在未來的一天,量子密碼技術終將“登陸”軍事通信戰場,給軍事通信安全帶來質的飛躍,真正實現戰場信息傳輸的百密而無一疏,萬全而無一失。

? ? ?(來源:《解放軍報》范 毅 ? 趙艷斌)