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漫画 | 中国宣布建成量子通信京沪干线,多家银行银监已启用

 

漫画 | 中国宣布建成量子通信京沪干线,多家银行银监已启用

漫画 | 中国宣布建成量子通信京沪干线,多家银行银监已启用

(这是Sheldon的第56篇漫画,所有图片大约2.1MB。)

别看量子力学处处古怪,关键时候它能帮你保密呢。

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2017年,由中科院领导、中国科学技术大学作为项目建设主体承担,中国有线电视网络有限公司、山东信息通信技术研究院、中国科大先进技术研究院、中国银行业监督管理委员会等单位协作建设的 量子保密通信“京沪干线”顺利开通

这是世界上首条全长2000公里级别的,能够实现“天地一体化”的量子保密通信网络。

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1.为什么要搞量子保密通信?

网上买买买的时候你有没有想过,

你的手机向银行发起的交易信息,

真的安全吗?

答案是暂时安全,

因为网络交易信息都经过了加密。

(即RSA加密)

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要想破解RSA加密的密钥,

就要把一个很大很大的数,

(例如一个1024位的大数)

用暴力方法分解成

两个质数的乘积。

这个 破解 过程非常漫长,

用超级计算机太湖之光,

加上目前最优的算法,

大概还是需要 50年

如果位数再增加几位,

想要破解就得 100年 起了。

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如果将来有了 量子计算机

运用量子计算的肖尔算法,

别说1024位的密钥了,

就连破解2048位的密钥,

它都 只需要几秒钟

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所以,

为了未来的 信息安全

许多国家需要研究和应用

量子保密通信技术

2.什么是量子保密通信?

量子保密通信说白了,

就是利用量子力学的幺蛾子性质,

先发送、后产生一组完全随机的密钥

供通信双方加密和解密时使用。

整个过程不可窃听,

产生的密文不可破解,

在物理上是绝对安全的。

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网上传输所有的信息时,

都要先把信息转换成比特0和1。

假如你用传统的方法,

在光纤中传输一段密码,

就得用很多光子组成的脉冲表示1,

用没有光子的空白状态表示0。

这么多光子在光纤中跑,

想要窃听而不被发现,

一点儿也不难。

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但是在量子保密通信中,

科学家表示0和1的方法,

单个光子的偏振 状态。

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比方说,

如果跑来一个0度偏振的光子,

我们就会接收到比特0;

如果跑来一个90度偏振的光子,

我们就会接收到比特1。

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量子通信的科学家非常鸡贼,

他们不但用0度和90度表示0和1,

还制定了一个奇葩的规定:

45度的光子也可以表示比特0,

135度的光子也可以表示比特1。

所以,

他们发送的0和1的序列,

必然随机包含两种类型的光子。

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当一个45度偏振的光子,

跑到测量0度和90度偏振的

接收器面前时,

又会得到什么结果呢?

量子力学中有个幺蛾子,

叫做 量子叠加态

简单地说,

45度的偏振,

可以看作是0度和90度偏振的叠加。

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但是,

接收器显然不会

同时探测到0度和90度的偏振,

而是 随机得到其中一种结果

要么是0度偏振(比特0)

要么是90度偏振(比特1),

两种结果都有 一定概率 发生。

这就是量子力学的另一个幺蛾子:

“上帝掷骰子”!

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所以,

我们得到一个经验:

如果接收器和光子偏振方向不一致,

就无法接收到正确的比特。

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只有接收器和光子偏振方向一致时,

才能接收到正确的比特。

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假设有人不自量力,

非要在半路窃听,

由于他不知道每个光子发出的方向,

就算他接收到了一堆比特,

其中也会有大量的错误。

如果他自作聪明,

把含有大量错误的比特,

重新发送出去。

接收方收到比特后,

发现错误很多,

自然会知道有人在窃听!

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所以,

量子保密通信

在通信的过程中 不可窃听

当科学家产生和发送量子密钥时,

他总是先 随机 发射两类光子,

接收方则会 随机 摆弄接收器的方向,

这会导致很多光子的接收失败。

然后,

科学家会和接收方通个电话,

交流一下哪些光子失败,

哪些光子成功。

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把失败光子的比特统统删除,

剩下的比特就组成了量子密钥。

因为每串秘钥都是 随机产生 的,

由此加密的信息便统统 不可破解

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3.如何建造量子通信的京沪干线?

2016年8月,

我国发射了一枚量子实验卫星,

这是通向量子保密通信的关键一步。

不过,

由于卫星并不在同步轨道上,

而是不断在天上跑来跑去,

它不能24小时为我们提供服务,

所以,我们还要建造

地面量子通信系统: 京沪干线

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京沪干线的建造方法,

看起来非常简单。

就是用你上网用的光纤,

把量子通信收发装置连起来。

由于在远距离通信中,

单个光子很容易被光纤吸收或散射,

所以在京沪干线上,

每隔一段距离,

就要建一个 可信中继站

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在可信中继站之间,

量子密钥会接力传递。

如果有敌人潜入了中继站,

密钥就有可能被窃听。

但是,

相比 经典通信的处处设防

可信中继的重点设防 容易多了,

所以,

这种量子通信的实现方案,

在现有的技术手段下,

极大地 提升了通信的安全性

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4.京沪干线有什么意义?

首先,

京沪干线的建成,

服务了国家的战略需求,

使我国在信息安全领域

达到世界领先水平。

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其次,

京沪干线吸引和培育了

量子通信的制造业和服务业。

其中的很多关键设备,

都是由中国企业自主研发和制造的。

例如, 上转换单光子探测器

用的 铌酸锂波导芯片

就是由济南量子技术研究院

和山东量子科学技术研究院有限公司

共同研制的。

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除此之外,中国企业还制造了

能够快速产生大量量子密钥的

GHz高速量子网关

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在接入站点进行大规模加密和解密的

密钥管理机,

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能够扩展网络的 光量子交换机

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还有能够从一个局域网

接入另一个局域网的

量子VPN。

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在京沪干线的分阶段建造中,

银监会、地方银监局和银行,

就已经在各自的系统中,

尝试应用量子保密通信了,

这会为量子通信的应用起到示范效果。

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量子实验卫星的发射,

和量子通信京沪干线的建成,

标志着中国正在努力成为,

下一代信息技术的“领跑者”。

量子通信应用的大幕,

正由中国和世界各地的科学家一起,

徐徐拉开。

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美指:牛猫 | 绘制:赏鉴 | 排版:胡豆 | 鸣谢:周飞,袁骁,周自恒

本文已发表于墨子沙龙

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参考文献:

1. 中国科学技术大学京沪干线项目组提供的资料

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