保密的话，交给量子电话
半月谈记者 张漫子
加密，一门古老的艺术。古罗马战争时，将军向皇帝传递战报，要发送敌军看不懂的暗号——“往后错三位”的恺撒密码就这样诞生了。我国先秦时期军中常用的阴符、阴书，也就是一套加密方法。
当历史的车轮驶入互联网时代，密码学的复杂程度自非恺撒所能想象，但更让人不易想象的，可能是一场会颠覆现有公开密码体系的技术革命——超越经典计算方法的量子计算，让保密通信成为“唯一确定的事情就是不确定”这句古老谚语令人惊叹的注脚。
量子通信，告别“窃听风云”
1994年，英格兰银行的密码需要设置155位，才能保证无法破译。
大数为何难以分解？好比我们面前有一座巨大乐高积木城堡，由成千上万块不同颜色的积木搭建而成。积木块的组合如此复杂，没有人能够看一眼就记住每一块积木的位置和颜色。解密的过程就好比拆解这座巨大的城堡，是一项艰巨的任务。
“1994年，破译一串155位的密码，需要当时最先进的计算机持续计算20年。有了量子计算机，破译这一长度的密码只需0.3秒。”北京量子信息科学研究院科研副院长、清华大学教授龙桂鲁说。
面对量子计算机如此神速的密码破解，保密通信要想“道高一丈”，自然也需不断升级。
“经典保密通信好比‘说黑话’，让其他人听不懂。而量子保密通信就像是说‘悄悄话’，让其他人压根听不到。”龙桂鲁解释说，量子保密通信主要有两种，一种是用量子态产生密钥，而以经典通信传输加密信息的量子密钥分发，优势是传输率高；另一种是用量子态直接传输信息的量子直接通信，如遇窃听，量子态可以自毁来保证信息安全。
科研人员在量子通信“京沪干线”总控中心工作 刘军喜 摄
利用量子态的特性，我们可以在信息传递时边检查、边通信。量子通信中如果存在暗中窃听的第三方，通信的双方便会察觉：因为暗中窃听会引发量子态的状态改变，接收方发现异常，就会及时采取措施保护信息。也就是说，窃听量子通信者既不能隐藏窃听行为，也无法窃取任何信息。
量子电话不是神话
座机、BP机、大哥大、智能手机……30年来通信手段的日新月异，你我都是见证者。但人们也许不敢相信，用上量子密钥分发技术的量子电话，已经走进我们的生活。
“只需一部安卓手机在手，再配上一张量子密话SIM卡，就能拨打量子电话。”中电信量子信息科技集团有限公司通话与量子产品线技术总监张涛说得轻松写意。
量子电话与普通电话有何不同？以手机为例，首先是可拨打量子电话的手机改造了普通手机的拨号组件，藉由量子会话密钥保护通话人的身份认证信息，以实现基于量子加密的身份认证。再就是内置了“量子安全中间件”，用以调动量子SIM卡的充注密钥，作为会话密钥认证和解密的“前哨”。
装有量子SIM卡的手机每次发起“量子密话”时，都会随机抽取芯片内的一个量子密钥与后台建立连接、校验身份信息。认证通过后，实时生成一个新密钥作为会话密钥。认证密钥与会话密钥相区分，用后即弃。
“就算这一次通话的密钥凭着巨量演算可以破解，但下一次密钥焕然一新，之前的破解就作了无用功。”张涛说，端到端加密确保通话的语音信息即使被其他人获取也无法获知真实内容。当然，量子密话需要拨出者与被呼叫者双方都换上量子SIM卡。
量子安全U 盾产品 刘军喜 摄
不止量子电话，形同“阅后即焚”的量子短信也已出现。张涛向半月谈记者展示刚刚收到的同事发过来的量子短信，几个表情包和几句问候短句右侧上方，闪动着为期60秒的倒计时。当“01:00”变为“00:00”时，表情包和问候短句瞬间化为乌有。
离“量子通信自由”有多远
量子通信要想大规模应用，必须过远距离传输信号损耗这一关。从1984年美国物理学家贝内特着手探索量子通信应用到现在，业界共识是先利用光纤在城市内构建一个网络，然后利用中继实现城市间连接，通过卫星的中转实现更远距离的量子通讯。
关键在哪里？龙桂鲁一语道破：“需要组建量子网络。”不过，组建量子网络所需的量子中继器件现在还没有“实用版”。
北京量子信息科学研究院科研副院长龙桂鲁介绍研究成果
值得欣慰的是，目前借助经典中继来构建可信中继量子网络已成为现实。翻译一下，这一过程就相当于信号藉量子直接通信传输一定距离（目前50-100公里没有问题），到一个叫作“中继”的地方，将密文先转换为经典信号，再转换成新的量子信号，开启下一段量子直接通信的“接力”，直到收信人收到为止。
此外，还可以借助经典密码加密，进一步加强信号在中继处的安全保护。
“如果用邮寄信件打比方，经典加密就是用暗号写信。”龙桂鲁解释说，量子直接通信则像一辆带封闭车厢的邮车，经典中继就是信件中转站。用封闭邮车传送暗号写的文件，随后在中转站转交给下一辆邮车。“在交接时，人们看到的只有暗号，不是文件的‘真容’。最后的接收人才能读懂暗号，解密文件。”
如今，第二代量子直接通信样机通信速率达到每秒千比特量级，能够实现稳定图文传输。龙桂鲁等科学家已在实验室中初步建起安全中继的量子直接通信网络，从“一对一”通信发展到多人“群聊”。接下来努力的方向是广域端对端安全的中继量子网络，有望支撑多种应用。
北京量子信息科学研究院研究人员正在实验室中工作
量子技术日进无已，龙桂鲁团队已经把目光投向太空。很快，量子直接通信就不仅局限于地面光纤网络，天地间直接量子对话也可成真。也许到那时，“量子通信自由”离我们就不再遥远。
量子通话有什么作用？
量子是光子、质子、介子、中子、电子等一些基本粒子的统称，是最基本的能量携带者。量子通信是利用量子力学原理对量子态进行操控的一种新的通信形式，主要的优势是用来解决信息安全问题。 随着量子性能被科学家们深入认识，各种新型的实用的技术也被逐渐开发出来，量子通信就是其中之一。 于是，量子通话手机就被开发出来了。量子通话手机与传统手机的区别主要有以下几个方面：
1、量子通话手机结合了用量子信息技术制备的量子密钥。
量子密钥是指使用量子信息技术制备出的密钥。所谓的配备量子密钥就是指提前将量子密钥预充注至安全的手机SIM卡中，通过手机SIM卡对拨打安全通话时的语音数据加密，从而防止语音传送的内容泄漏。这种SIM卡，结合了普通SIM卡和安全芯片的功能。既有普通运营商入网的鉴权等SIM卡功能，又有安全芯片的相关功能。所以量子通话手机的用户在享受传统手机功能的同时还享有量子手机安全的功能。
2、量子通话手机具有更高的保密性。
量子拥有两个特性——测量的随机性和不可复制。所以在量子态传递过程中，如果有人窃听，它的状态就会因测量发生改变，这就导致信号被接收的失误率会增加，从而引起警觉，而停止信号的传递。量子通话手机的这一特性也使得窃听者无法采取信息复制的方法来获得合法用户的信息，所以，量子通信具有很强的保密性。
3、量子通话手机比传统手机更安全。
量子安全通话的手机在功能上与传统安全手机类似，量子安全手机在加密的方式和安全性上有了新的突破。量子安全通话服务可以理解为“安全通话+量子密钥”的服务，较之传统手机更安全。
量子通信如何做到安全保密
如今所说的量子密码特指利用量子纠缠态的一对相互纠缠的粒子之间“神秘”的相互关联来产生密钥，如果有第三方介入，这种关联就会被破坏，就能被发现，然后让此次产生的密钥作废，再重新来过。 仅当只有当事双方参与时，密钥才能顺利产生，亦即此密钥的产生绝不会被第三方知晓，以达到保密的目的。 有第三方介入，密钥就不能产生——这是量子密码的核心。 具体说，一种量子密码的方案是这样的：将要传送的信息编排成一个大数，再另找一个大数作为密钥，将两大数的乘积用普通信道传递给对方，接下来的关键就是传递密钥。 有了密钥，除一下，就恢复原来信息；若想用普通计算机试图找出密钥，是可以的，但需要很长时间（若量子计算机出现，所需时间将大为缩短，这种量子密码也将失去意义）。 传递密钥是这样的（其实也非传递，而是生成密钥）：制备一批纠缠光子对，一个光子发送给发信方，另一个光子发送给收信方。 测量光子极化方向的偏振片的方位约定好两种，比如一种水平方向，另一种是与水平夹45度角的方向。 两人每次测量一个光子时选择的方向都是随机的，但要记录下每次选择的方向，当然也要记录下每次测量的结果，有光子通过偏振片就记1，无光子通过则记0。 通过普通信道两人交换测量方向的记录，那些测量方向不一致的测量结果的记录都舍去不要（因为两人的这些测量结果的相关性不会是绝对一致的），剩下的那些测量方向相同所对应的测量结果，两人应一致（除非有第三方截获了部分光子），这一致的记录就可作为两人共同的密钥。 检测是否有第三方截获的方法至少有这样两种：1）将上段得到的密钥的大数各个数位上的数字之和通过普通信道对比一下；2）任取大数中的某几段数字对比一下。 若都相同，说明无人截获，两人得到的密钥是相同的。
量子保密通信是绝对保密吗？
量子通信，是近年来很热门的一个词汇，但大多数人对此都是云里雾里。广义地说，量子通信是指利用量子比特作为信息载体来传输信息的通信技术。由于利用了量子力学的基本原理，量子通信能够在确保信息安全、增大信息容量等方面，突破经典信息技术的极限。
量子通信内涵很广泛，量子隐形传态、量子保密通信、量子密集编码等都属于量子通信范畴，而量子保密通信是目前最接近实用化的量子信息技术。
信息的安全传送是千百年来人类的梦想之一，然而经典信息很容易被窃取，因此保障通信安全的主要方法就是对信息进行加密。人们已经发展了各种各样的经典密码和加密算法，它们主要是利用计算的复杂性来确保通信安全——窃听者在没有破解密钥的情况下，在有限的时间内无法完成破译所需的大量计算。
量子通信系统的问世，重新点燃了建造安全的通信系统的希望。量子相干叠加会带来奇特的量子特性。例如，对于一个未知状态的单光子，要想精确复制它的状态是不可能的，这称为量子不可克隆原理。这是因为，若要对单光子的状态进行复制，就要首先对其进行测量，但量子相干叠加决定了测量会对单光子的状态产生扰动，因此无法获得其状态的精确信息，也就无法实现对其状态的精确复制。单个光量子不可分割和量子不可克隆原理这些量子世界的奇特性质，保证了量子保密通信的安全性。在量子保密通信过程中，发送方和接收方采用单光子的状态作为信息载体来建立密钥。由于单光子不可分割，窃听者无法将单光子分割成两部分，让其中一部分继续传送，而对另一部分进行状态测量获取密钥信息。又由于量子测不准原理和不可克隆定理，窃听者无论是对单光子状态进行测量或是试图复制之后再测量，都会对光子的状态产生扰动，从而使窃听行为暴露。理论表明，通信双方只要按照协议产生了密钥，就一定是安全的。
