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從中國獨步全球的量子實驗衛星「墨子號」,樂觀看保密通訊的未來突破!

量子電腦的開發研究正如火如荼地進行,理想的量子計算能一次完成2的N次方筆數據的同步處理——也就是說量子電腦的運算效率是普通電腦的2的N次方倍——這樣的計算速度完全可以秒殺傳統電腦,一旦研發成功,就能以量子退火( Quantum annealing )的技術破解任何密碼!因此當 1984 年,量子密鑰分發的構想被提出時,立刻成為世界重要的研究項目之一。中國在今年 2016 發射了一顆以量子通訊實驗為目的的衛星,更是獨步全球的創新實驗!

 

認識密碼學觀念與未來量子電腦將帶來的困境

 

密碼學具體而言,指稱加密演算法,也就是發送者(化名 Alice)將訊息(明文)透過數學函式,變換成無法理解的資料(密文),同時接收者(化名 Bob)也有相應的解密演算法,能使密文還原成明文。加解密的過程還有另一個重要的部分——金鑰——用於演算法的秘密參數,只流通於通訊中的 Alice 和 Bob。此時若有人(化名 Eve)想知道兩人的通訊內容,除了要學會加密演算法、解密演算法之外,還要能攔截到金鑰才能將參數帶入函式破解密碼。

 

 

將來量子電腦登場後,當前的密碼學勢必會被輾壓得灰飛煙滅。因為量子退火技術能在短時間內以海量的運算,不斷測試金鑰的所有可能值——這是暴力但有效的方式,而且很實際。對此,學界提出基於量子力學理論的量子通訊構想。現實生活中的量子通訊並不是能將訊息以超越光速的技術,讓火星和地球進行零時差對話,這是違反相對論的科幻情節。事實上量子通訊主要針對的是訊息保密方面,和訊息本身並無關係,自然和一般以微波、電磁波做為訊號的通訊衛星亦無瓜葛。今年八月,由中國主導的實驗 Quantum Experiments at Space Scale  ( QUESS )就是該研究領域重要的一步,他們從戈壁沙漠發射出全球首顆量子通訊實驗衛星「墨子號」。「墨子號」乘載了什麼理念,對於密碼學危機又有什麼樣的應戰策略呢?

 

 

量子密鑰分發技術 保障通訊安全

 

首先我們釐清量子通訊( Quantum Teleportation )的概念,量子通訊和訊息本身內容完全無關,而是針對加密訊息過程的安全性做物理上的保護;利用量子力學獨有的量子糾纏現象,確保金鑰不會被 Eve  攔截到。因為一旦 Eve 偷窺金鑰,當下,根據海森堡測不準原理,這個觀察動作本身就干擾了量子糾纏粒子原本的狀態。被觀察的粒子已經不是原來的粒子,因此 Alice 和 Bob 就知道有人正在偷窺,而能夠立即捨棄密鑰。只要我們操作這些遵守海森堡測不準原理的量子糾纏對,使之成為金鑰(註一)的護花使者,就能進行高度安全的通訊。綜合以上說明,量子密鑰分發可抵抗量子電腦的暴力解密外掛,是基於物理法則,並不是基於量子電腦尚未攻破的數學難題。

(註一:金鑰通常是攜帶秘密常數的光子)

 

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中國「墨子號」在量子通訊研究領域獨領風騷

 

「墨子號」並不是量子通訊技術的第一次試驗,量子密鑰分發技術早已在地球上經過多次的嘗試,目前發展到能在光纖中傳遞 307 公里,但這段路路程中間還需要許多的據點支援。「墨子號」首創將量子通訊實驗拉升到外太空的規模,從衛星軌道向地表進行 500 公里的傳訊,地表上 Alice 和 Bob 則相距 1200 公里,如此實驗規模約達 60 萬平方公里,且不依賴任何介質。實驗內容主要包括了量子糾纏、量子密鑰以及終端開放的量子態隱形傳輸——總而言之,撇開應用層面來說,QUESS 實驗的價值更代表了物理學界第一次能在像這樣的大尺度下觀察量子糾纏態是否依然存在,藉此檢驗量子力學的有效性!

 

Quantum Experiments at Space Scale  (Image by NSSC)

Quantum Experiments at Space Scale (Image by NSSC)

 

保密通訊結合量子力學,中國欲創造絕對機密的通訊環境

 

中國於 2013 年已開始建設光纖量子通訊網絡工程「京滬幹線」,將連接北京、濟南、合肥、上海,全長 2025 公里,是世界首例千公里級高可信、可擴展的廣域光纖量子通訊網絡,建成後將用於金融、政務等領域的安全傳輸。不僅如此,中國甚至計劃於 2030 年左右建成全球化量子通訊網絡,而「墨子號」就是此保密通訊網發展的關鍵!面對未來量子電腦的出世,密碼學界已悄然動身尋求存活之道,為突破可預知的困境做足準備!

 

 

參考資料:

What the World’s First Quantum Satellite Launch Means

China launches world’s first quantum science satellite

National Space Science Center (NSSC)

Quantum Cryptography

Provably secure and practical quantum key distribution over 307 km of optical fibre (nature.com)

中國成功發射全球首顆量子科學實驗衛星到底是什麽鬼?(youtube)

 

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Pan
在廣袤無垠的物理學界中潛心學習,一點一滴積累著各種新鮮有趣的科技新知。我想透過寫作,抒發對知識的熱情,滿足對變動世界的好奇!
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