在IBM的華生實(shí)驗里，量子計算領(lǐng)域的創(chuàng )始者之一班奈特根據量子力學(xué)的原理，正在發(fā)明一種新的加密技術(shù)——量子密碼技術(shù)，這一技術(shù)將使未來(lái)的密碼使用更安全。
在這個(gè)實(shí)驗里，他們讓光子在一個(gè)昵稱(chēng)為“馬莎阿姨的棺材”的光密盒里走了30厘米。光子振蕩（偏振化）的方向，代表一連串量子位里的0與1。量子位構成密碼的“鑰匙”，可以對信息加密或解密。竊聽(tīng)者之所以刺探不到鑰匙，是由于海森堡的測不準原理——這是量子物理的基礎之一，當我們在測量量子態(tài)的某個(gè)性質(zhì)時(shí)，會(huì )使另一個(gè)性質(zhì)受到擾動(dòng)。在量子密碼系統里，任何竊取者在偷看光子束時(shí)都會(huì )更動(dòng)到它，而被發(fā)送者或接收者察覺(jué)。原則上，這種技術(shù)可以做出無(wú)法破解的秘密鑰匙。
從班奈特辦公桌上的臨時(shí)設計一直發(fā)展至今，量子密碼技術(shù)已經(jīng)有了長(cháng)足的進(jìn)展?，F在美國國防安全署或聯(lián)邦準備銀行已經(jīng)可以向兩家小公司購買(mǎi)量子密碼系統，而且未來(lái)還會(huì )有更多的產(chǎn)品。這種加密的新方法結合了量子力學(xué)與信息論，成了量子信息科學(xué)的第一個(gè)主要商品。未來(lái)，從這個(gè)領(lǐng)域誕生的終極技術(shù)可能是量子計算機，它將具有超強的譯碼能力，而要避免密碼遭破解的唯一方法，可能得用上量子密碼技術(shù)。
現代的密碼專(zhuān)家所遇到的挑戰是，如何讓發(fā)送者與接收者共同擁有一把鑰匙，并保證不會(huì )外流。我們通常用一種稱(chēng)為“公鑰加密”（public-key cryptography）的方法發(fā)送“秘密鑰匙”（簡(jiǎn)稱(chēng)密鑰或私鑰），對傳送的信息加密或解密。這種技術(shù)之所以安全，是因為應用了因數分解[注1]或其它困難的數學(xué)問(wèn)題。要計算兩個(gè)大質(zhì)數的乘積很容易，但要將乘積分解回質(zhì)數卻極為困難。目前在公開(kāi)金鑰加密法中，最常用到的RSA密碼算法，就是應用因數分解的原理。在發(fā)送與接收者之間傳遞的秘密信息，是以“公開(kāi)鑰匙”（簡(jiǎn)稱(chēng)公鑰）加密，這個(gè)公鑰是一個(gè)很大的數，例如408508091（實(shí)際上用的數會(huì )遠大于此）。數據只能以接收者握有的密鑰解開(kāi)，這把密鑰是公鑰的兩個(gè)因素，而在這個(gè)例子里就是18313與22307。
由于破解“公鑰加密”很困難，因此在未來(lái)10年甚至更久，密鑰的安全性仍舊很高。但是隨著(zhù)量子信息時(shí)代的來(lái)臨（尤其是量子計算機可以快速算出嚇人的高難度因素分解）可能預示了RSA及其它密碼技術(shù)終將失效。英國布里斯托大學(xué)電子及電機工程系教授瑞若堤說(shuō)：“如果量子計算機成真，一切都會(huì )不一樣。”
量子密碼術(shù)和“公鑰加密”的差別在于，前者在量子計算機出現后仍然牢不可破。要在兩端傳遞量子加密鑰匙，其中一種方法就是以激光發(fā)出單一光子，光子會(huì )以?xún)煞N模式中的其中一種偏振。光子的第一種偏振方向是垂直或平行（直線(xiàn)模式）；第二種則是與垂直呈45度角（對角模式）。不管是哪一種模式，光子的不同指向分別代表0或1這兩個(gè)數字。依慣例，密碼學(xué)者通常稱(chēng)發(fā)送者為艾麗斯（Alice），她以直線(xiàn)或對角隨機模式送出光子，發(fā)射出一串位。至于接收者則稱(chēng)為鮑伯（Bob），他也隨機決定以?xún)煞N模式之一來(lái)量測射入的位。根據海森堡的測不準原理，他只能以一種模式來(lái)測量位，而不能用兩種。只有當鮑伯與艾麗斯選用相同的模式時(shí)，位的指向才能保證是正確的，不會(huì )影響原來(lái)的數值。
在傳送之后，鮑伯與艾麗斯互相聯(lián)絡(luò )，這時(shí)不需要保密，鮑伯告訴對方他是用哪種模式接收個(gè)別光子。不過(guò)他并沒(méi)有說(shuō)明各個(gè)光子的位是0或1。接著(zhù)艾麗斯告訴鮑伯他哪些模式的測量方式是正確的。他們會(huì )刪除沒(méi)有以正確模式觀(guān)測的光子，而以正確模式所觀(guān)測出來(lái)的光子便成為鑰匙，用以輸入算法來(lái)對信息加密或解密。
如果有人（稱(chēng)為伊芙，Eve）想攔截這道光子流，由于海森堡原理的關(guān)系，她無(wú)法兩種模式都測。如果她以錯誤的模式進(jìn)行測量，即使她將位依照測到的結果重傳給鮑伯，都一定會(huì )有誤差。艾麗斯與鮑伯可以選擇性地比較一些位，并檢查錯誤，來(lái)偵測是否有竊聽(tīng)者。
從2003年起，瑞士日內瓦的id Quantique公司以及美國紐約市的神奇量子科技公司（MagiQ），都發(fā)表了可以傳送量子密鑰的商品，傳送距離超過(guò)在班奈特實(shí)驗里的30厘米。還有美國NEC公司的產(chǎn)品，它傳送了150公里遠，創(chuàng )下紀錄，并在今年初上市。除此之外，IBM、富士通以及東芝等也正在加緊研發(fā)。
這些上市的產(chǎn)品，借著(zhù)一條光纖便可將鑰匙傳送到幾十公里以外的地方。神奇量子科技的產(chǎn)品每個(gè)售價(jià)7—10萬(wàn)美元。在1999年時(shí)創(chuàng )立了神奇量子科技、曾任華爾街量化交易員的葛爾方評論道：“少數顧客正在測試、使用這個(gè)系統，不過(guò)還未在任何網(wǎng)絡(luò )上廣為配置。”
有些政府及金融機構擔心，如果把今天所截獲的加密信息存放10年以上，到時(shí)候量子計算機就會(huì )解開(kāi)它。美國洛色拉摩斯國家實(shí)驗室的量子密碼研究員休斯，提到一些其它必須長(cháng)時(shí)間保密的信息：人口普查的原始數據、可口可樂(lè )的配方，或是商用衛星的指令。量子密碼系統的其它可能客戶(hù)，還包括了提供客戶(hù)超機密服務(wù)的電信業(yè)者。
目前，想將量子密碼技術(shù)放到實(shí)際網(wǎng)絡(luò )上（而非點(diǎn)對點(diǎn)聯(lián)系）的首次嘗試，已經(jīng)開(kāi)始在進(jìn)行。美國國防高等研究計劃署資助了一個(gè)計劃，連接六個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，涵蓋麻州劍橋的哈佛大學(xué)、波士頓大學(xué)，以及BBN科技公司（這家公司在建立因特網(wǎng)上曾扮演關(guān)鍵角色）。密鑰通過(guò)專(zhuān)用的連結發(fā)送，然后將加密過(guò)的信息，通過(guò)因特網(wǎng)傳送出去。BBN負責這項計劃的艾略特說(shuō)：“這可是第一次在實(shí)驗室外連續操作量子密碼網(wǎng)絡(luò )。”這個(gè)網(wǎng)絡(luò )傳送的是一般非機密網(wǎng)絡(luò )信息，目的只是用來(lái)證實(shí)這個(gè)技術(shù)確實(shí)可行。艾略特表示：“我想與這里唯一有關(guān)的機密，就是哪兒有停車(chē)位。”2004年秋天，日內瓦的因特網(wǎng)服務(wù)供貨商Deckpoint，與id Quantique共同展示了一個(gè)網(wǎng)絡(luò )，可以將日內瓦內的好幾個(gè)服務(wù)器數據備份到10公里外的站臺，并通過(guò)量子加密網(wǎng)絡(luò )，頻繁地發(fā)送新鑰匙。
現在的量子密碼術(shù)僅限在地區性的網(wǎng)絡(luò )上。這項技術(shù)的威力在于，任何人只要刺探鑰匙的傳送，都一定會(huì )更動(dòng)到鑰匙。但這也意味著(zhù)，我們沒(méi)辦法借著(zhù)網(wǎng)絡(luò )設備將攜有量子鑰匙的訊號放大，然后繼續傳輸到下一個(gè)中繼器。光學(xué)放大器會(huì )破壞量子位。
為了擴張連結范圍，研究人員正在嘗試以光纖之外的媒介傳送量子鑰匙?？茖W(xué)家爬到山巔（在那樣的高度下，大氣的干擾可以減到最?。?，想證明通過(guò)大氣來(lái)發(fā)送量子鑰匙是可行的。洛色拉摩斯國家實(shí)驗室在2002年所做的一個(gè)實(shí)驗，建造出一個(gè)10公里遠的連結。同年，英國法恩堡的QinetiQ，與德國慕尼黑的盧特維格–麥西米連大學(xué)合作，在阿爾卑斯山南邊兩個(gè)距離23公里的山頂間做了另一個(gè)實(shí)驗。他們進(jìn)一步改良技術(shù)，例如使用較大的望遠鏡來(lái)偵測、用較佳的濾鏡以及抗反射鍍膜，希望由此建造出一個(gè)系統，收發(fā)距離1000公里以上的訊號，這樣的距離足以到達低軌道衛星。一個(gè)衛星網(wǎng)絡(luò )便可以涵蓋全球。（歐洲太空總署正展開(kāi)一項計劃，要做地面對衛星的實(shí)驗。歐盟在2004年4月也發(fā)起一項計劃，要在通訊網(wǎng)路間發(fā)展量子密碼技術(shù)，部分的原因是為了不讓梯隊系統（Echelon）竊聽(tīng)—這個(gè)系統負責截收電子信息，供美、英以及其它國家的情報機構使用。）
密碼專(zhuān)家希望最終能夠發(fā)展出某種形式的量子中繼器（quantum repeater），它本質(zhì)上就是量子計算機的一種基本型式，可以克服距離的限制。中繼器能運作，靠的是愛(ài)因斯坦著(zhù)名的“幽靈般的超距作用”（spukhafte Fernwirkungen）。在2004年8月19日的《自然》里，奧地利維也納實(shí)驗物理研究院的柴林格和同事發(fā)表了中繼器的初步成果，他們在多瑙河底的下水道里拉了一條光纖纜線(xiàn)，兩端則放置了“糾纏”（entangled）的光子。測量其中一個(gè)光子的偏振狀態(tài)（水平或是垂直等），會(huì )使另一端的光子立即產(chǎn)生一模一樣的偏振方向。
糾纏的存在讓愛(ài)因斯坦心里發(fā)毛，但是柴林格和他的研究小組利用糾纏的兩個(gè)光子間的聯(lián)系特性，將第三個(gè)光子的信息遠距傳輸了600米、跨過(guò)多瑙河。這樣的傳送系統可以通過(guò)多重中繼器而擴展，因此鑰匙里的量子位可以越陌度阡、橫跨大陸或海洋。要讓這件事成真，需發(fā)展出奧妙的組件，例如可以實(shí)際儲存量子位、而不會(huì )損壞位的量子內存，然后再將位傳送到下一個(gè)連結。曾幫忙創(chuàng )設id Quantique、也曾做過(guò)遠距纏結實(shí)驗的日內瓦大學(xué)教授吉辛（Nicolas Gisin）說(shuō)：“這些仍在初步階段，都還在物理實(shí)驗室里面嘗試。”
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