保密的話，交給量子電話
半月談記者 張漫子
加密，一門古老的藝術。古羅馬戰爭時，將軍向皇帝傳遞戰報，要發送敵軍看不懂的暗號——“往后錯三位”的愷撒密碼就這樣誕生了。我國先秦時期軍中常用的陰符、陰書，也就是一套加密方法。
當歷史的車輪駛入互聯網時代，密碼學的復雜程度自非愷撒所能想象，但更讓人不易想象的，可能是一場會顛覆現有公開密碼體系的技術革命——超越經典計算方法的量子計算，讓保密通信成為“唯一確定的事情就是不確定”這句古老諺語令人驚嘆的注腳。
量子通信，告別“竊聽風云”
1994年，英格蘭銀行的密碼需要設置155位，才能保證無法破譯。
大數為何難以分解？好比我們面前有一座巨大樂高積木城堡，由成千上萬塊不同顏色的積木搭建而成。積木塊的組合如此復雜，沒有人能夠看一眼就記住每一塊積木的位置和顏色。解密的過程就好比拆解這座巨大的城堡，是一項艱巨的任務。
“1994年，破譯一串155位的密碼，需要當時最先進的計算機持續計算20年。有了量子計算機，破譯這一長度的密碼只需0.3秒。”北京量子信息科學研究院科研副院長、清華大學教授龍桂魯說。
面對量子計算機如此神速的密碼破解，保密通信要想“道高一丈”，自然也需不斷升級。
“經典保密通信好比‘說黑話’，讓其他人聽不懂。而量子保密通信就像是說‘悄悄話’，讓其他人壓根聽不到。”龍桂魯解釋說，量子保密通信主要有兩種，一種是用量子態產生密鑰，而以經典通信傳輸加密信息的量子密鑰分發，優勢是傳輸率高；另一種是用量子態直接傳輸信息的量子直接通信，如遇竊聽，量子態可以自毀來保證信息安全。
科研人員在量子通信“京滬干線”總控中心工作 劉軍喜 攝
利用量子態的特性，我們可以在信息傳遞時邊檢查、邊通信。量子通信中如果存在暗中竊聽的第三方，通信的雙方便會察覺：因為暗中竊聽會引發量子態的狀態改變，接收方發現異常，就會及時采取措施保護信息。也就是說，竊聽量子通信者既不能隱藏竊聽行為，也無法竊取任何信息。
量子電話不是神話
座機、BP機、大哥大、智能手機……30年來通信手段的日新月異，你我都是見證者。但人們也許不敢相信，用上量子密鑰分發技術的量子電話，已經走進我們的生活。
“只需一部安卓手機在手，再配上一張量子密話SIM卡，就能撥打量子電話。”中電信量子信息科技集團有限公司通話與量子產品線技術總監張濤說得輕松寫意。
量子電話與普通電話有何不同？以手機為例，首先是可撥打量子電話的手機改造了普通手機的撥號組件，藉由量子會話密鑰保護通話人的身份認證信息，以實現基于量子加密的身份認證。再就是內置了“量子安全中間件”，用以調動量子SIM卡的充注密鑰，作為會話密鑰認證和解密的“前哨”。
裝有量子SIM卡的手機每次發起“量子密話”時，都會隨機抽取芯片內的一個量子密鑰與后臺建立連接、校驗身份信息。認證通過后，實時生成一個新密鑰作為會話密鑰。認證密鑰與會話密鑰相區分，用后即棄。
“就算這一次通話的密鑰憑著巨量演算可以破解，但下一次密鑰煥然一新，之前的破解就作了無用功。”張濤說，端到端加密確保通話的語音信息即使被其他人獲取也無法獲知真實內容。當然，量子密話需要撥出者與被呼叫者雙方都換上量子SIM卡。
不止量子電話，形同“閱后即焚”的量子短信也已出現。張濤向半月談記者展示剛剛收到的同事發過來的量子短信，幾個表情包和幾句問候短句右側上方，閃動著為期60秒的倒計時。當“01:00”變為“00:00”時，表情包和問候短句瞬間化為烏有。
離“量子通信自由”有多遠
量子通信要想大規模應用，必須過遠距離傳輸信號損耗這一關。從1984年美國物理學家貝內特著手探索量子通信應用到現在，業界共識是先利用光纖在城市內構建一個網絡，然后利用中繼實現城市間連接，通過衛星的中轉實現更遠距離的量子通訊。
關鍵在哪里？龍桂魯一語道破：“需要組建量子網絡。”不過，組建量子網絡所需的量子中繼器件現在還沒有“實用版”。
值得欣慰的是，目前借助經典中繼來構建可信中繼量子網絡已成為現實。翻譯一下，這一過程就相當于信號藉量子直接通信傳輸一定距離（目前50-100公里沒有問題），到一個叫作“中繼”的地方，將密文先轉換為經典信號，再轉換成新的量子信號，開啟下一段量子直接通信的“接力”，直到收信人收到為止。
此外，還可以借助經典密碼加密，進一步加強信號在中繼處的安全保護。
“如果用郵寄信件打比方，經典加密就是用暗號寫信。”龍桂魯解釋說，量子直接通信則像一輛帶封閉車廂的郵車，經典中繼就是信件中轉站。用封閉郵車傳送暗號寫的文件，隨后在中轉站轉交給下一輛郵車。“在交接時，人們看到的只有暗號，不是文件的‘真容’。最后的接收人才能讀懂暗號，解密文件。”
如今，第二代量子直接通信樣機通信速率達到每秒千比特量級，能夠實現穩定圖文傳輸。龍桂魯等科學家已在實驗室中初步建起安全中繼的量子直接通信網絡，從“一對一”通信發展到多人“群聊”。接下來努力的方向是廣域端對端安全的中繼量子網絡，有望支撐多種應用。
量子技術日進無已，龍桂魯團隊已經把目光投向太空。很快，量子直接通信就不僅局限于地面光纖網絡，天地間直接量子對話也可成真。也許到那時，“量子通信自由”離我們就不再遙遠。
