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——「往後錯三位」的愷撒密碼就這樣誕生了。中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，讓保密通訊成為「唯一確定的事情就是不確定」這句古老諺語令人驚嘆的註腳。
量子通訊，告別「竊聽風雲」
1994年，英格蘭銀行的密碼需要設定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，需要當時最先進的電腦持續計算20年。有了量子電腦，破譯這一長度的密碼只需0.3秒。」北京量子資訊科學研究院科研副院長、清華大學教授龍桂魯說。
面對量子電腦如此神速的密碼破解，保密通訊要想「道高一丈」，自然也需不斷升級。
「經典保密通訊好比‘說黑話’，讓其他人聽不懂。而量子保密通訊就像是說‘悄悄話’，讓其他人壓根聽不到。」龍桂魯解釋說，量子保密通訊主要有兩種，一種是用量子態產生金鑰，而以經典通訊傳輸加密資訊的量子金鑰分發，優勢是傳輸率高；另一種是用量子態直接傳輸資訊的量子直接通訊，如遇竊聽，量子態可以自毀來保證資訊保安。
科研人員在量子通訊「京滬幹線」總控中心工作 劉軍喜 攝
利用量子態的特性，我們可以在資訊傳遞時邊檢查、邊通訊。量子通訊中如果存在暗中竊聽的第三方，通訊的雙方便會察覺：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資訊。也就是說，竊聽量子通訊者既不能隱藏竊聽行為，也無法竊取任何資訊。
量子電話不是神話
座機、BP機、大哥大、智能電話……30年來通訊手段的日新月異，你我都是見證者。但人們也許不敢相信，用上量子金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。」中電信量子資訊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元件，藉由量子會話金鑰保護通話人的身份認證資訊，以實作基於量子加密的身份認證。再就是內建了「量子安全中介軟體」，用以調動量子SIM卡的充註金鑰，作為會話金鑰認證和解密的「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金鑰與後台建立連線、校驗身份資訊。認證透過後，即時生成一個新金鑰作為會話金鑰。認證金鑰與會話金鑰相區分，用後即棄。
「就算這一次通話的金鑰憑著巨量演算可以破解，但下一次金鑰煥然一新，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資訊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。
量子安全U 盾產品 劉軍喜 攝
不止量子電話，形同「閱後即焚」的量子短訊也已出現。張濤向半月談記者展示剛剛收到的同事發過來的量子短訊，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「量子通訊自由」有多遠
量子通訊要想大規模套用，必須過遠距離傳輸訊號損耗這一關。從1984年美國物理學家貝內特著手探索量子通訊套用到現在，業界共識是先利用光纖在城市內構建一個網絡，然後利用中繼實作城市間連線，透過衛星的中轉實作更遠距離的量子通訊。
關鍵在哪裏？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」。
北京量子資訊科學研究院科研副院長龍桂魯介紹研究成果
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。轉譯一下，這一過程就相當於訊號藉量子直接通訊傳輸一定距離（目前50-100公裏沒有問題），到一個叫作「中繼」的地方，將密文先轉換為經典訊號，再轉換成新的量子訊號，開啟下一段量子直接通訊的「接力」，直到收信人收到為止。
此外，還可以借助經典密碼加密，進一步加強訊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，量子直接通訊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檔，隨後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，不是檔的‘真容’。最後的接收人才能讀懂暗號，解密檔。」
如今，第二代量子直接通訊樣機通訊速率達到每秒千位元量級，能夠實作穩定圖文傳輸。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訊網絡，從「一對一」通訊發展到多人「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，有望支撐多種套用。
北京量子資訊科學研究院研究人員正在實驗室中工作
量子技術日進無已，龍桂魯團隊已經把目光投向太空。很快，量子直接通訊就不僅局限於地面光纖網絡，天地間直接量子對話也可成真。也許到那時，「量子通訊自由」離我們就不再遙遠。
