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如何看待中奥科学家首次跨越半个地球实现量子视频通话?

   2017-11-01 1520
核心提示:这是严格意义上的量子通信吗?这是一个相当专业的问题,说明题主非常关注科技新闻,并且勤于思考。为题主点个赞。对这两个问题的
 这是严格意义上的量子通信吗?

这是一个相当专业的问题,说明题主非常关注科技新闻,并且勤于思考。为题主点个赞。对这两个问题的基本回答是:这是一次成功的技术演示;不是完全意义上的量子通信,而是实用意义上的量子通信。

下面来解释一下。

首先,这个新闻是:2017年9月29日,在世界第一条量子保密通信干线“京沪干线”开通的新闻发布会上,中国科学院院长白春礼通过“墨子号”量子科学实验卫星与奥地利的地面站,与奥地利科学院院长安东·塞林格(Anton Zeilinger,潘建伟的博士导师)进行了世界首次洲际量子保密通信视频通话。

中国科学院院长白春礼(电子屏右侧)在现场通过“墨子号”量子科学实验卫星,与奥地利科学院院长安东·塞林格(电子屏左侧)进行世界首次洲际量子保密通信视频通话。

看到了吧,这里的关键词都是“保密”。媒体报道的“量子通信”,大部分时候其实都特指量子通信这个科学领域中的一部分,“量子密码术”。这是一种保密的方法,不是许多人胡思乱想的超时空传输之类。

为什么需要用量子技术来保密呢?基本的图景是这样。

传统的保密方法分为两大类。一类是“对称密码体制”,即通信双方都用同一套密钥来加密和解密。这样做出来的密文可以做到绝对不可破译,但麻烦在于传递密钥的信使可能被抓(想想《红灯记》里的李玉和)。另一类是“非对称密码体制”或称为“公钥密码体制”,把加密解密变成了数学问题,依靠某些数学问题的困难性来保证密文不可破译。这样不用信使了,但是麻烦又在于可能被数学的进步破解。

而量子密码术,是利用量子力学的特性,使通信双方不用信使,就直接分享一套密钥。跟对称密码体制相比,克服了信使的漏洞。跟公钥密码体制相比,克服了被数学破解的漏洞。因此,这是密码术几千年历史上的一次革命。

上面说的是原理,而实际应用当中,就存在工程问题了。现在的量子保密通信工程,能以什么样的速率传输密钥呢?可以看对墨子号的报道:

“墨子号”量子卫星过境时,与河北兴隆地面光学站建立光链路,通信距离从645公里到1200公里。在1200公里通信距离上,星地量子密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高20个数量级(万亿亿倍)。卫星上量子诱骗态光源平均每秒发送4000万个信号光子,一次过轨对接实验可生成300 kbit的安全密钥,平均成码率可达1.1 kbps

你看,最终的成码率是1.1 kbps。要做到理论极限的“绝对不可破译”,一个条件是密钥的长度跟要传输的明文一样,甚至更长。因此,密钥的成码率就决定了明文的传输速度。每秒1 kb这样的量级,就像互联网刚兴起时候大家用的“猫”,做文字传输还行,传图像、视频就太慢了。

那么,白春礼和塞林格为什么可以视频通话呢?原因是,用了不等长加密。仍然是对称密码体制,但用另外一些算法,密钥的长度比明文短得多。这样做,在原则上是可以破解的,但实际上需要的计算量十分巨大,比如说破解一秒钟的通话内容需要全世界的计算机计算一小时,而传输的信息又没有那么敏感,及时性很强,事后破解了关系也不大。在这种情况下,不等长加密也不失为一个可行的选择。

 
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