“墨子號”量子衛(wèi)星

8月16日1時40分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運(yùn)載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空。此次發(fā)射任務(wù)的圓滿成功，標(biāo)志著我國空間科學(xué)研究又邁出重要一步。

那么，量子衛(wèi)星到底是用來做什么的？我們該如何去認(rèn)識它呢？一起來看看科學(xué)家是如何解釋的吧！

量子衛(wèi)星上天啦!

量子衛(wèi)星是中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項的第三顆星！

新聞上說：

“量子衛(wèi)星將完成包括星地高速量子密鑰分發(fā)、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)、星地量子糾纏分發(fā)以及地星量子隱形傳態(tài)等多項科學(xué)實驗任務(wù)?！?/p>

所有字都認(rèn)得，放在一塊就不知道啥意思了。其實很簡單，量子衛(wèi)星主要是用來……

等一等，讓我們先講個故事。

1994年， 一篇可能是數(shù)學(xué)史上最短的數(shù)學(xué)論文問世了。文章的內(nèi)容僅是一個乘法算式：

為什么這篇論文如此重要？

因為它破解了RSA129位數(shù)的密碼。

RSA是目前仍被認(rèn)為最有影響力的

公鑰加密算法。

1977年，美國的三位科學(xué)家：

羅納德·李維斯特（Ron Rivest）

阿迪·薩莫爾（Adl Shamir）

倫納德·阿德曼（Leonard Adleman）

一起提出了用于數(shù)據(jù)加密的RSA公鑰加密算法。

它的可靠性基于一個數(shù)學(xué)難題：

兩個質(zhì)數(shù)的乘積計算非常簡單， 但把乘積因式分解非常困難。數(shù)越大，越難解。

他們?nèi)私o出了上面提到的129位數(shù)， 并聲稱如果有人解出這個數(shù)是哪兩個質(zhì)數(shù)相乘， 那就可以獲得隱藏在其中的神秘信息（破譯密碼）。

沒想到，就在17年后，來自世界五大洲的600多位研究人員使用了約1600臺計算機(jī)， 用了8個月時間就解出了這個因式分解， 并得到了隱藏的神秘信息：

都說現(xiàn)在是“信息時代”，無線通信、因特網(wǎng)無所不在，信息滿天飛。幾乎所有人都面臨一個問題：

加密時，我們把要發(fā)送的信息（密碼學(xué)里將信息的原文叫做“明文”），通過一些變換法則和某些重要的參數(shù)，變成看起來毫無意義的亂碼（“密文”）。接收信息的人，再通過重要參數(shù)和變換法則還原出信息的本來面目。

這些重要的參數(shù)，就是密鑰。

信息加密的過程和我們平時鎖東西差不多。

即使在密文傳遞過程中，黑客盜取了密文，如果沒有重要的參數(shù)密鑰，他也無法還原出明文。。

人類一直使用對稱密鑰來加密信息。一直到1976年，這都還是唯一的公開加密法。對稱密鑰很好用，不過密鑰的分發(fā)和保存是個大問題！

比如有三個人給你發(fā)信息，有3把鑰匙需要交給你并由你來保管。有沒有辦法不運(yùn)輸密鑰？

非對稱密鑰的發(fā)明，解決了密鑰在運(yùn)輸過程中可能出現(xiàn)的問題。

非對稱密鑰又稱公開密鑰加密。

1977年，科學(xué)家又提出了RSA公鑰加密算法，就是我們上面提到的算法。

多個發(fā)送方可以通過同一把鑰匙A把明文加密，接收方只需要用另一把鑰匙B把密文解密。

這樣，用來解密的鑰匙始終保留在接收方手里，不用擔(dān)心鑰匙運(yùn)輸?shù)膯栴}，很方便。

非對稱密鑰的安全性取決于計算安全性。然而隨著計算機(jī)計算能力的增強(qiáng)，基于計算安全性的密碼不再堅固！

如果量子計算機(jī)研制成功，基于算法的密鑰將無密可保！

面對量子計算機(jī)，世界上沒有安全的密碼了嗎？

科學(xué)家想起了一種對稱密碼：

一次一密的方法和其他對稱密鑰一樣，密碼運(yùn)輸、保管的成本太高。一直被認(rèn)為過于理想化，而被人們擱置不用。

現(xiàn)在，我們可以說說量子衛(wèi)星主要是用來做什么了。

隨著量子力學(xué)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)利用量子力學(xué)的基本原理，既可以輕松實現(xiàn)一次一密，又能保證密鑰分發(fā)過程絕對安全。

量子衛(wèi)星主要是用來

量子衛(wèi)星將量子密鑰發(fā)送給兩個地面站，再通過比對，建立最終的絕對安全的量子密鑰。

擁有相同量子密鑰的兩個站，可以把使用量子密鑰加密的信息，通過郵件、互聯(lián)網(wǎng)、無線電話等經(jīng)典的方式傳遞，而不用擔(dān)心信息會泄露。

為什么要發(fā)射衛(wèi)星，在太空配鑰匙？

在量子通信里面，信號傳播的載體都是單個的光子，不能被放大。這是量子力學(xué)自身的特性決定的。

在大氣或光纖中傳播，光信號會衰減。傳播到100多千米的時候，信號基本上衰減差不多了，所以量子通信的距離受到很大限制。想傳輸?shù)酶h(yuǎn)，需要不斷建立更多的中繼站。

發(fā)射量子衛(wèi)星，光信號僅通過10千米左右的大氣層，信號衰減很少?？梢詫⑼ㄐ欧秶鷶U(kuò)展到全球距離。

量子衛(wèi)星除了配鑰匙這個工作外，還會進(jìn)行多個量子力學(xué)實驗，包括史上最遠(yuǎn)距離的量子糾纏分發(fā)來檢驗貝爾不等式，進(jìn)一步驗證量子力學(xué)的正確性。此外，另外一種直接傳輸量子比特的量子通信方式—量子隱形傳態(tài)，也是實驗的主要目的之一。

量子衛(wèi)星會帶來多少改變我們生活的成果？

我們拭目以待！

（本文摘編自“中科院之聲”微信公眾號）