密碼學是愛麗絲和鮑勃與夏娃之間的一場軍備競賽。這些都是密碼學家使用的名字，愛麗絲和鮑勃是想要進行秘密通訊的兩個人，而夏娃則是試圖截取和解密他們談話的第三者。目前，愛麗絲和鮑勃剛好領先，但夏娃正在迎頭趕上。因此，愛麗絲和鮑勃正在尋找一種全新的方式來保守秘密。他們可能很快就會找到一種來源于量子力學的方法。
當前的密碼學著力于將解密部分做得盡可能復雜。行業(yè)標準加密方法被稱為RSA（以它的發(fā)明者命名，分別是麻省理工學院的Ron Rivest、Adi Shamirh和Leonard Adleman），它使用兩把密鑰，一個公鑰和一個私鑰。這些密鑰是非常大的數(shù)字，每一個都來源于同樣兩個質(zhì)數(shù)的乘積。任何人都可以使用公鑰來加密信息，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(shù)是什么。當質(zhì)數(shù)足夠大——找出大質(zhì)數(shù)是數(shù)學家們的一項運動——的時候，分解公鑰、找出質(zhì)數(shù)的工作盡管理論上可行，但實際上耗時太長。（當這一加密系統(tǒng)在1977年推出時，其所用的質(zhì)數(shù)大約需要40萬億年才能分解得到。）
不過自20世紀70年代以來，進行因數(shù)分解的計算機變得更大、更快了。因此，一些密碼學家對于RSA的未來感到擔憂，這才產(chǎn)生了對于量子密碼學的興趣。
愛麗絲、鮑勃和維爾納嗎？
量子密碼學中發(fā)展最好的一類被稱為量子密鑰分配（QKD），它的基礎是阻止攔截，而不是防止解密。同樣的，密鑰是一個巨大的數(shù)字——如果用十進制表示，那是一個上百位的數(shù)字。愛麗絲在發(fā)送加密信息前用一系列光子（光的粒子）把這個數(shù)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，以免竊聽活動被人察覺。但是，愛麗絲和鮑勃（或者說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——來編碼組成密鑰的0和1。根據(jù)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，因此夏娃不可能毫無紕漏地重建每一個光子。如果鮑勃檢測到紕漏，他可以告訴愛麗絲不要發(fā)送真正的信息，直到線路安全為止。
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(qū)及其周邊的設施。Battelle將用這條線來保護自己的信息，其他想要傳送敏感數(shù)據(jù)的公司也將租用這條線路。
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，夏娃如果竊聽就必然會暴露自己。QuintessenceLabs使用這種技術建立了一條560公里的QKD連線，連接起加州帕薩迪納的噴氣推進實驗室和硅谷的埃姆斯研究中心。噴氣推進實驗室組織了許多項美國航空航天局的無人科學任務；埃姆斯研究中心有許多機構在開展科學研究。
第三個項目是由洛斯阿拉莫斯國家實驗室的簡·諾德霍爾特組織的，這個項目組最近演示了一種口袋大小的QKD發(fā)射器，稱為QKarD，它可以加密通過公共數(shù)據(jù)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(xù)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，傳輸過程也需要保證安全，以防有人蓄意造成系統(tǒng)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路來運送光子。其他研究小組想得更加全球化，這也就意味著通過衛(wèi)星來收發(fā)量子加密數(shù)據(jù)。
至少有三個小組正在開展這方面的工作：加拿大滑鐵盧量子計算研究所的托馬斯·詹內(nèi)懷恩及其團隊；維也納大學的安東·塞林格和中國科技大學的潘建偉領導的合作項目；還有新加坡量子技術中心的亞歷山大·凌和阿圖爾·?？颂亍?
詹內(nèi)懷恩博士的研究方案是讓愛麗絲將偏振編碼的光子發(fā)送給衛(wèi)星。一旦愛麗絲建立了一個密鑰，在另一塊大陸上的鮑勃就等著衛(wèi)星從他上空經(jīng)過，這樣他就可以發(fā)送更多的光子，來創(chuàng)建第二個密鑰。然后衛(wèi)星會將密鑰混編在一起，并發(fā)送給鮑勃，而鮑勃由于已知第二個密鑰，所以可以算出第一個密鑰?，F(xiàn)在，愛麗絲和鮑勃就有了一個共享的密鑰，這樣一來他們就可以通過正常的（不太耗費腦力的）地面網(wǎng)絡進行安全通訊。詹內(nèi)懷恩博士計劃在未來12個月內(nèi)找個時間測試一下這個設想，他將使用一架飛機而不是衛(wèi)星。
另外一種更復雜的衛(wèi)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。測量一個粒子的狀態(tài)，你就可以知道糾纏對中另一個粒子的狀態(tài)。通過這種方法，愛麗絲和鮑勃可以共享一個密鑰，這個密鑰由在衛(wèi)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QKD發(fā)射器來進行實驗，他和他的團隊已經(jīng)在地面上進行了多年的糾纏實驗。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行糾纏測試，但不會將光子送回地球。
如果上述這些事情可以大規(guī)模實現(xiàn)，那么幾年內(nèi)愛麗絲和鮑勃應該會保持領先。至于倒霉的夏娃，她會發(fā)現(xiàn)自己卷入了一張牢不可破的量子網(wǎng)中。
《經(jīng)濟學人》2013年5月25日
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