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“不可克隆定律”和“测不准原理”成就量子通信的“天然保护罩”

时间:2019/8/8

“不可克隆定律”和“测不准原理”成就量子通信的“天然保护罩”

在电影《窃听风云》中,窃听者使用GSM阻截器,只需输入目标的手机号码,就能轻松进行窃听。这让人们对通信安全和保密性产生了质疑。那么有没有一种通信保密手段,或者说是加密方式,可以保证通信绝对安全呢?答案是肯定的。这便是量子通信,其保证绝对安全性的核心在于量子密码。

谈到密码我们并不陌生,尤其在军事领域,因为密码从诞生起就与战争密不可分。从古希腊伯罗奔尼撒战争中雅典间谍的腰带情报密码,到第二次世界大战中破解纳粹特工隐藏在模特长裙里的摩斯密码,几千年来密码在军事上的应用可谓层出不穷、千变万化。如今,伴随着科学的进步,尤其是计算机技术的迅速发展,在军事通信领域,传统的加密与破译之间的攻防战犹如棋盘上的黑白子博弈,堪称“道高一尺,魔高一丈”。可量子密码究竟有何特殊之处,能避免密码被破解?

量子密码,核心环节是“量子密钥分配”。简而言之,就是把光子形成的量子态作为信息载体,通过“量子通道”在特定的用户之间传送信息,而只有特定的用户才可使用量子密钥解密,解密之后才能阅读信息。这看起来与其他密钥加密技术差不多,都是进行“数字签名”。但密钥加密技术破译起来虽极其困难,却绝非不可能。那么,运用量子密码技术,在这个过程中真的能确保“绝对安全”吗?
答案还是肯定的。与其他密码加密方法相比较,量子领域具备独有的两层“天然保护罩”,守卫着传送信息和密钥的安全。这就是量子物理学中著名的“不可克隆定律”和“测不准原理”。就像无数窃密题材影视作品中展现的那样,“窃密者”一般都是悄悄把机密文件拍成照片复制一份,拿回去慢慢破译,实现了窃取目的又不被发现。但是量子态的粒子十分微小,找到并截取粒子相比于窃取机密文件,在难度系数上有着质的差异。

首先,“窃密者”会遇到第一层“天然保护罩”。“不可克隆定律”,指的是绝不可能精确地克隆任意量子态的粒子,这与生物领域的认知是不同的。生物可以被克隆,但是任意一个量子态的粒子一旦被复制,原先的量子态则一定被损坏。在现代科技支持下,其他用户可通过高超的方法和特殊的手段拦截量子态的粒子,但这种“窃听”行为会触发“不可克隆定律”这层“天然保护罩”,使量子态的粒子发生改变,立刻会被传递信息的特定用户发觉。特定用户就会“停止发货”,密钥即时“不再启用”。

作为“窃密者”和“破译者”,既然量子态的粒子不能被复制,那么,截取量子态的粒子后不进行复制,直接进行测量不就可以了吗?很遗憾,这也不可能!因为如果这么做,就会触发第二层“天然保护罩”——“测不准原理”。所谓“测不准原理”,就是不可能同时准确测量出微观世界粒子的某些成对的物理量,比如速度与位置、时间与能量,等等,都是这些成对的物理量。“窃密者”掌握不了这些关键物理量,破解量子密码也就如“老虎吃天,无从下口”了。
这两层“天然保护罩”,让量子通信成为不可被窃听、保密性最强的通信手段。对于对通信保密安全性要求极高的军事通信领域,传统的军事通信中依靠数学原理的传统加密方式,在安全性方面受到了越来越多的挑战。相比之下,量子密码因其具有的特殊物理原理,对基于计算能力的破译方法具有特殊天然的“免疫力”。

当前量子通信技术还处于试验阶段,不过已经取得了一些可喜的成就。相信在未来的一天,量子密码技术终将“登陆”军事通信战场,给军事通信安全带来质的飞跃,真正实现战场信息传输的百密而无一疏,万全而无一失。

(来源:《解放军报》范 毅 赵艳斌)