保密的話，交給量子電話
半月談?dòng)浾?張漫子
加密，一門古老的藝術(shù)。古羅馬戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)，將軍向皇帝傳遞戰(zhàn)報(bào)，要發(fā)送敵軍看不懂的暗號(hào)——“往后錯(cuò)三位”的愷撒密碼就這樣誕生了。我國(guó)先秦時(shí)期軍中常用的陰符、陰書，也就是一套加密方法。
當(dāng)歷史的車輪駛?cè)牖ヂ?lián)網(wǎng)時(shí)代，密碼學(xué)的復(fù)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(chǎng)會(huì)顛覆現(xiàn)有公開密碼體系的技術(shù)革命——超越經(jīng)典計(jì)算方法的量子計(jì)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(yǔ)令人驚嘆的注腳。
量子通信，告別“竊聽風(fēng)云”
1994年，英格蘭銀行的密碼需要設(shè)置155位，才能保證無法破譯。
大數(shù)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(fù)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(xiàng)艱巨的任務(wù)。
“1994年，破譯一串155位的密碼，需要當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)持續(xù)計(jì)算20年。有了量子計(jì)算機(jī)，破譯這一長(zhǎng)度的密碼只需0.3秒。”北京量子信息科學(xué)研究院科研副院長(zhǎng)、清華大學(xué)教授龍桂魯說。
面對(duì)量子計(jì)算機(jī)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(jí)。
“經(jīng)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(tài)產(chǎn)生密鑰，而以經(jīng)典通信傳輸加密信息的量子密鑰分發(fā)，優(yōu)勢(shì)是傳輸率高；另一種是用量子態(tài)直接傳輸信息的量子直接通信，如遇竊聽，量子態(tài)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(tài)的特性，我們可以在信息傳遞時(shí)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(huì)察覺：因?yàn)榘抵懈`聽會(huì)引發(fā)量子態(tài)的狀態(tài)改變，接收方發(fā)現(xiàn)異常，就會(huì)及時(shí)采取措施保護(hù)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(jī)、BP機(jī)、大哥大、智能手機(jī)……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(fā)技術(shù)的量子電話，已經(jīng)走進(jìn)我們的生活。
“只需一部安卓手機(jī)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(tuán)有限公司通話與量子產(chǎn)品線技術(shù)總監(jiān)張濤說得輕松寫意。
量子電話與普通電話有何不同？以手機(jī)為例，首先是可撥打量子電話的手機(jī)改造了普通手機(jī)的撥號(hào)組件，藉由量子會(huì)話密鑰保護(hù)通話人的身份認(rèn)證信息，以實(shí)現(xiàn)基于量子加密的身份認(rèn)證。再就是內(nèi)置了“量子安全中間件”，用以調(diào)動(dòng)量子SIM卡的充注密鑰，作為會(huì)話密鑰認(rèn)證和解密的“前哨”。
裝有量子SIM卡的手機(jī)每次發(fā)起“量子密話”時(shí)，都會(huì)隨機(jī)抽取芯片內(nèi)的一個(gè)量子密鑰與后臺(tái)建立連接、校驗(yàn)身份信息。認(rèn)證通過后，實(shí)時(shí)生成一個(gè)新密鑰作為會(huì)話密鑰。認(rèn)證密鑰與會(huì)話密鑰相區(qū)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(yǔ)音信息即使被其他人獲取也無法獲知真實(shí)內(nèi)容。當(dāng)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(xiàn)。張濤向半月談?dòng)浾哒故緞倓偸盏降耐掳l(fā)過來的量子短信，幾個(gè)表情包和幾句問候短句右側(cè)上方，閃動(dòng)著為期60秒的倒計(jì)時(shí)。當(dāng)“01:00”變?yōu)椤?0:00”時(shí)，表情包和問候短句瞬間化為烏有。
離“量子通信自由”有多遠(yuǎn)
量子通信要想大規(guī)模應(yīng)用，必須過遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)損耗這一關(guān)。從1984年美國(guó)物理學(xué)家貝內(nèi)特著手探索量子通信應(yīng)用到現(xiàn)在，業(yè)界共識(shí)是先利用光纖在城市內(nèi)構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，然后利用中繼實(shí)現(xiàn)城市間連接，通過衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子通訊。
關(guān)鍵在哪里？龍桂魯一語(yǔ)道破：“需要組建量子網(wǎng)絡(luò)。”不過，組建量子網(wǎng)絡(luò)所需的量子中繼器件現(xiàn)在還沒有“實(shí)用版”。
值得欣慰的是，目前借助經(jīng)典中繼來構(gòu)建可信中繼量子網(wǎng)絡(luò)已成為現(xiàn)實(shí)。翻譯一下，這一過程就相當(dāng)于信號(hào)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(gè)叫作“中繼”的地方，將密文先轉(zhuǎn)換為經(jīng)典信號(hào)，再轉(zhuǎn)換成新的量子信號(hào)，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(jīng)典密碼加密，進(jìn)一步加強(qiáng)信號(hào)在中繼處的安全保護(hù)。
“如果用郵寄信件打比方，經(jīng)典加密就是用暗號(hào)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(jīng)典中繼就是信件中轉(zhuǎn)站。用封閉郵車傳送暗號(hào)寫的文件，隨后在中轉(zhuǎn)站轉(zhuǎn)交給下一輛郵車。“在交接時(shí)，人們看到的只有暗號(hào)，不是文件的‘真容’。最后的接收人才能讀懂暗號(hào)，解密文件。”
如今，第二代量子直接通信樣機(jī)通信速率達(dá)到每秒千比特量級(jí)，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定圖文傳輸。龍桂魯?shù)瓤茖W(xué)家已在實(shí)驗(yàn)室中初步建起安全中繼的量子直接通信網(wǎng)絡(luò)，從“一對(duì)一”通信發(fā)展到多人“群聊”。接下來努力的方向是廣域端對(duì)端安全的中繼量子網(wǎng)絡(luò)，有望支撐多種應(yīng)用。
量子技術(shù)日進(jìn)無已，龍桂魯團(tuán)隊(duì)已經(jīng)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(wǎng)絡(luò)，天地間直接量子對(duì)話也可成真。也許到那時(shí)，“量子通信自由”離我們就不再遙遠(yuǎn)。
