密碼學(xué)是愛(ài)麗絲和鮑勃與夏娃之間的一場(chǎng)軍備競賽。這些都是密碼學(xué)家使用的名字，愛(ài)麗絲和鮑勃是想要進(jìn)行秘密通訊的兩個(gè)人，而夏娃則是試圖截取和解密他們談話(huà)的第三者。目前，愛(ài)麗絲和鮑勃剛好領(lǐng)先，但夏娃正在迎頭趕上。因此，愛(ài)麗絲和鮑勃正在尋找一種全新的方式來(lái)保守秘密。他們可能很快就會(huì )找到一種來(lái)源于量子力學(xué)的方法。
當前的密碼學(xué)著(zhù)力于將解密部分做得盡可能復雜。行業(yè)標準加密方法被稱(chēng)為RSA（以它的發(fā)明者命名，分別是麻省理工學(xué)院的Ron Rivest、Adi Shamirh和Leonard Adleman），它使用兩把密鑰，一個(gè)公鑰和一個(gè)私鑰。這些密鑰是非常大的數字，每一個(gè)都來(lái)源于同樣兩個(gè)質(zhì)數的乘積。任何人都可以使用公鑰來(lái)加密信息，但只有那些有私鑰的人可以解密信息。為了找到私鑰，你只能從公鑰中找出起源的質(zhì)數是什么。當質(zhì)數足夠大——找出大質(zhì)數是數學(xué)家們的一項運動(dòng)——的時(shí)候，分解公鑰、找出質(zhì)數的工作盡管理論上可行，但實(shí)際上耗時(shí)太長(cháng)。（當這一加密系統在1977年推出時(shí)，其所用的質(zhì)數大約需要40萬(wàn)億年才能分解得到。）
不過(guò)自20世紀70年代以來(lái)，進(jìn)行因數分解的計算機變得更大、更快了。因此，一些密碼學(xué)家對于RSA的未來(lái)感到擔憂(yōu)，這才產(chǎn)生了對于量子密碼學(xué)的興趣。
愛(ài)麗絲、鮑勃和維爾納嗎？
量子密碼學(xué)中發(fā)展最好的一類(lèi)被稱(chēng)為量子密鑰分配（QKD），它的基礎是阻止攔截，而不是防止解密。同樣的，密鑰是一個(gè)巨大的數字——如果用十進(jìn)制表示，那是一個(gè)上百位的數字。愛(ài)麗絲在發(fā)送加密信息前用一系列光子（光的粒子）把這個(gè)數字發(fā)送給鮑勃。夏娃要想讀取這次傳送從而獲得密鑰，她必須破壞一些光子。由于鮑勃肯定會(huì )注意到丟失的光子，夏娃需要制造并發(fā)送一模一樣的光子給鮑勃，以免竊聽(tīng)活動(dòng)被人察覺(jué)。但是，愛(ài)麗絲和鮑勃（或者說(shuō)為他們建造儀器的工程師）可以阻止這種事情發(fā)生，辦法就是使用兩種不同的量子態(tài)——比如光子的偏振——來(lái)編碼組成密鑰的0和1。根據維爾納·海森堡的不確定性原理，兩種量子狀態(tài)中只有一種可以測定出來(lái)，因此夏娃不可能毫無(wú)紕漏地重建每一個(gè)光子。如果鮑勃檢測到紕漏，他可以告訴愛(ài)麗絲不要發(fā)送真正的信息，直到線(xiàn)路安全為止。
這種方法的倡導者之一是一家瑞士公司——ID Quantique。它與一家美國公司Battelle合作，建立了一條700公里（440英里）的光纖QKD線(xiàn)纜。它連接了Battelle位于俄亥俄州哥倫布市的總部和ID Quantique位于華盛頓特區及其周邊的設施。Battelle將用這條線(xiàn)來(lái)保護自己的信息，其他想要傳送敏感數據的公司也將租用這條線(xiàn)路。
澳大利亞公司QuintessenceLabs有一種不同的編碼方法。它不去擺弄光子的偏振，而是改變它們的相位和振幅。但效果是一樣的，夏娃如果竊聽(tīng)就必然會(huì )暴露自己。QuintessenceLabs使用這種技術(shù)建立了一條560公里的QKD連線(xiàn)，連接起加州帕薩迪納的噴氣推進(jìn)實(shí)驗室和硅谷的埃姆斯研究中心。噴氣推進(jìn)實(shí)驗室組織了許多項美國航空航天局的無(wú)人科學(xué)任務(wù)；埃姆斯研究中心有許多機構在開(kāi)展科學(xué)研究。
第三個(gè)項目是由洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗室的簡(jiǎn)·諾德霍爾特組織的，這個(gè)項目組最近演示了一種口袋大小的QKD發(fā)射器，稱(chēng)為QKarD，它可以加密通過(guò)公共數據網(wǎng)傳送的信號，用以控制智能電網(wǎng)。智能電網(wǎng)平衡電力的需求和供應，從而可以更有效地分配電力。這需要在許多不同的地方持續檢測電壓、電流和電網(wǎng)頻率，并將結果迅速傳送到控制中心。然而，傳輸過(guò)程也需要保證安全，以防有人蓄意造成系統癱瘓。
這些項目方法各有不同，全都雄心勃勃。但是，所有項目都依靠本地固定線(xiàn)路來(lái)運送光子。其他研究小組想得更加全球化，這也就意味著(zhù)通過(guò)衛星來(lái)收發(fā)量子加密數據。
至少有三個(gè)小組正在開(kāi)展這方面的工作：加拿大滑鐵盧量子計算研究所的托馬斯·詹內懷恩及其團隊；維也納大學(xué)的安東·塞林格和中國科技大學(xué)的潘建偉領(lǐng)導的合作項目；還有新加坡量子技術(shù)中心的亞歷山大·凌和阿圖爾·?？颂?。
詹內懷恩博士的研究方案是讓愛(ài)麗絲將偏振編碼的光子發(fā)送給衛星。一旦愛(ài)麗絲建立了一個(gè)密鑰，在另一塊大陸上的鮑勃就等著(zhù)衛星從他上空經(jīng)過(guò)，這樣他就可以發(fā)送更多的光子，來(lái)創(chuàng )建第二個(gè)密鑰。然后衛星會(huì )將密鑰混編在一起，并發(fā)送給鮑勃，而鮑勃由于已知第二個(gè)密鑰，所以可以算出第一個(gè)密鑰?，F在，愛(ài)麗絲和鮑勃就有了一個(gè)共享的密鑰，這樣一來(lái)他們就可以通過(guò)正常的（不太耗費腦力的）地面網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行安全通訊。詹內懷恩博士計劃在未來(lái)12個(gè)月內找個(gè)時(shí)間測試一下這個(gè)設想，他將使用一架飛機而不是衛星。
另外一種更復雜的衛星方法是利用糾纏光子對。塞林格博士和凌博士的團隊都在嘗試這一方法。
糾纏是一種量子效應，即使光子分隔距離很遠，糾纏效應也可以把它們緊密地聯(lián)系起來(lái)。測量一個(gè)粒子的狀態(tài)，你就可以知道糾纏對中另一個(gè)粒子的狀態(tài)。通過(guò)這種方法，愛(ài)麗絲和鮑勃可以共享一個(gè)密鑰，這個(gè)密鑰由在衛星上產(chǎn)生的糾纏光子對構成的。塞林格博士希望用國際空間站上的一個(gè)QKD發(fā)射器來(lái)進(jìn)行實(shí)驗，他和他的團隊已經(jīng)在地面上進(jìn)行了多年的糾纏實(shí)驗。2007年，它們將糾纏光子對隔空送出144公里，跨越了加那利群島。凌博士的設備將在軌進(jìn)行糾纏測試，但不會(huì )將光子送回地球。
如果上述這些事情可以大規模實(shí)現，那么幾年內愛(ài)麗絲和鮑勃應該會(huì )保持領(lǐng)先。至于倒霉的夏娃，她會(huì )發(fā)現自己卷入了一張牢不可破的量子網(wǎng)中。
《經(jīng)濟學(xué)人》2013年5月25日
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