量子通信卫星很难解？其实像极了异地恋

发布时间：2023-04-01 08:44:24 所属栏目：动态来源：

导读：两千多年前，墨子在《经说下》中写下“光之人，煦若射。”这一句，并意识到“光沿直线传播”这一现象。

如今，设定使用寿命仅 2 年的“墨子号”，已经在轨道上运转 6 年时间，更是

两千多年前，墨子在《经说下》中写下“光之人，煦若射。”这一句，并意识到“光沿直线传播”这一现象。

如今，设定使用寿命仅 2 年的“墨子号”，已经在轨道上运转 6 年时间，更是出人意料地超额完成了不少国家级拓展实验室的科研任务。

很多人可能看到“量子”两个字就满头疑惑，到底什么是量子？“墨子号”量子科学实验卫星进行了哪些工作？它又和“量子”有什么联系？别急，让我们一个一个了解它们的秘密。

在生活里，我们可能经常会听到“遇事不决，量子力学”这句话，也经常会看到诸如“量子速读”这种打着“量子”旗号的伪科学，那么“量子”具体是什么？

这一问题其实不难理解。我们生活中的一切物体，都有构成其自身的最小单元，比如构成“水”的最基本单元是“水分子”。光也是如此，我们从一根激光笔中射出一束光线，将这束光线进行细分，分到的最基本单元就是“光子”。我们把构成物质世界的最基本的单元，就叫做“量子”。“墨子号”在进行实验时使用的“量子”，就是“光量子”，即“光子”。

在手机还没有开发出扫指纹、刷脸验证之前，我们网购下单时总需要在屏幕上输入支付密码，可能大部分人都考虑过一件事：万一我的密码被人截获了怎么办？确实，不仅是我们的支付密码，所有从 A到 B传送的通信信息，都有可能在中途被截获、破解，造成我们的信息泄露。

此刻可能有人就会想到，那么我们制作一个密码本，把我们发出的支付密码等信息进行加密，然后在接收时候利用同一个密码本进行解密，这样不就可以完成信息加密了吗？道理是没错，但遗憾的是密码不可能会被破译甚至直接被盗取，不过这样一来数据库加密也就几乎没有任何实质性的作用了。

“墨子号”的诞生，一个重要的使命就是为了保障通信安全。传统的密码本不够安全？没关系，我们用量子技术生成一个“密码本”，这个“密码本”足够随机，而且一旦被第三方截获就会被通信双方知晓。

作为量子科学实验卫星，“墨子号”有三个重要实验要完成：千公里级量子密钥（yuè）分发、千公里级星地双向量子纠缠分发和千公里级地星量子隐形传态。在完成了这三大既定科学目标后，“墨子号”还开展了多项有重要意义的拓展实验，不断实现新的突破。

刚才我们说到，为了保证真正的通信安全，需要用到量子技术来制作“密码本”。“墨子号”的量子密钥分发任务就是利用“墨子号”这颗卫星，通过从太空往地面发送一个个光子，来生成“密码本”。

光子偏振的几种形式，每个光子的偏振夹角为 180°，所以漫画中 135° 光子偏振虽然为“↖”，但其实和“↘”是等价的。图片来自墨子沙龙。

了解了这些规则后，我们就可以开始着手发送光子、进而制作“密码本”这件事了，步骤如下：

首先，发送者会随机生成一串比特密码，比如：01001011；
随机选择一种观测形式（“+”或“×”）；
根据随机产生的比特以及观测形式，来制备一个偏振光子，例如：当随机产生的比特是 0，观测方式是“+”时，就制备出 ↑ 偏振的光子；当随机产生的比特是 1，观测方式是“×”时，就制备出 ↘ 偏振的光子；
然后将光子发送给接收者；
接收者接收到这些光子后，再随机选择一个观测形式“+”或“×”对接收到的光子进行观测，获得观测结果。
最后，发送者和接受者再打个电话沟通一下他们各自的观测方式，将相同观测方式时的结果保留下来，其他的舍弃，就可以获得一个完全随机产生的、安全的初始“密码本”了。

这是一项充满了“随机”的工作。

我们也看到了，接收者如果使用了“+”对“↗”进行观测，便会获得两种结果，即：对光子进行观测后，会使光子的偏振发生改变。这样，中途如果有第三者对光子进行截获，那么一旦使用了“错误”的观测方式，就会让光子的偏振产生改变。从而接收者和观察者通过“对答案”（这次是交流部分初始“密码本”）就能发现问题，舍弃这次生成的“密码本”。

以上，便是“墨子号”所进行的量子密钥分发这项实验所使用的方法之一。这种方法名为 BB84 协议，是 1984 年，查理斯·本内特（Charles Bennett）和吉勒·布拉萨（Gilles Brassard）所提出的一种方法。这种方法可以有效发现通信中出现的窃听情况，从而立刻关闭通信，并重新进行新的量子密钥分发。

（编辑：汽车网）

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