量子的安慰 | 密码学

[shared via Google Reader from 译言精选-摘要]

译者SCWalter

密码学是爱丽丝和鲍勃与夏娃之间的一场军备竞赛。这些都是密码学家使用的名字，爱丽丝和鲍勃是想要进行秘密通讯的两个人，而夏娃则是试图截取和解密他们谈话的第三者。目前，爱丽丝和鲍勃刚好领先，但夏娃正在迎头赶上。因此，爱丽丝和鲍勃正在寻找一种全新的方式来保守秘密。他们可能很快就会找到一种来源于量子力学的方法。

当前的密码学着力于将解密部分做得尽可能复杂。行业标准加密方法被称为RSA（以它的发明者命名，分别是麻省理工学院的Ron Rivest、Adi Shamirh和Leonard Adleman），它使用两把密钥，一个公钥和一个私钥。这些密钥是非常大的数字，每一个都来源于同样两个质数的乘积。任何人都可以使用公钥来加密信息，但只有那些有私钥的人可以解密信息。为了找到私钥，你只能从公钥中找出起源的质数是什么。当质数足够大——找出大质数是数学家们的一项运动——的时候，分解公钥、找出质数的工作尽管理论上可行，但实际上耗时太长。（当这一加密系统在1977年推出时，其所用的质数大约需要40万亿年才能分解得到。）

不过自20世纪70年代以来，进行因数分解的计算机变得更大、更快了。因此，一些密码学家对于RSA的未来感到担忧，这才产生了对于量子密码学的兴趣。

爱丽丝、鲍勃和维尔纳吗？

量子密码学中发展最好的一类被称为量子密钥分配（QKD），它的基础是阻止拦截，而不是防止解密。同样的，密钥是一个巨大的数字——如果用十进制表示，那是一个上百位的数字。爱丽丝在发送加密信息前用一系列光子（光的粒子）把这个数字发送给鲍勃。夏娃要想读取这次传送从而获得密钥，她必须破坏一些光子。由于鲍勃肯定会注意到丢失的光子，夏娃需要制造并发送一模一样的光子给鲍勃，以免窃听活动被人察觉。但是，爱丽丝和鲍勃（或者说为他们建造仪器的工程师）可以阻止这种事情发生，办法就是使用两种不同的量子态——比如光子的偏振——来编码组成密钥的0和1。根据维尔纳·海森堡的不确定性原理，两种量子状态中只有一种可以测定出来，因此夏娃不可能毫无纰漏地重建每一个光子。如果鲍勃检测到纰漏，他可以告诉爱丽丝不要发送真正的信息，直到线路安全为止。

这种方法的倡导者之一是一家瑞士公司——ID Quantique。它与一家美国公司Battelle合作，建立了一条700公里（440英里）的光纤QKD线缆。它连接了Battelle位于俄亥俄州哥伦布市的总部和ID Quantique位于华盛顿特区及其周边的设施。Battelle将用这条线来保护自己的信息，其他想要传送敏感数据的公司也将租用这条线路。

澳大利亚公司QuintessenceLabs有一种不同的编码方法。它不去摆弄光子的偏振，而是改变它们的相位和振幅。但效果是一样的，夏娃如果窃听就必然会暴露自己。QuintessenceLabs使用这种技术建立了一条560公里的QKD连线，连接起加州帕萨迪纳的喷气推进实验室和硅谷的埃姆斯研究中心。喷气推进实验室组织了许多项美国航空航天局的无人科学任务；埃姆斯研究中心有许多机构在开展科学研究。

第三个项目是由洛斯阿拉莫斯国家实验室的简·诺德霍尔特组织的，这个项目组最近演示了一种口袋大小的QKD发射器，称为QKarD，它可以加密通过公共数据网传送的信号，用以控制智能电网。智能电网平衡电力的需求和供应，从而可以更有效地分配电力。这需要在许多不同的地方持续检测电压、电流和电网频率，并将结果迅速传送到控制中心。然而，传输过程也需要保证安全，以防有人蓄意造成系统瘫痪。

这些项目方法各有不同，全都雄心勃勃。但是，所有项目都依靠本地固定线路来运送光子。其他研究小组想得更加全球化，这也就意味着通过卫星来收发量子加密数据。

至少有三个小组正在开展这方面的工作：加拿大滑铁卢量子计算研究所的托马斯·詹内怀恩及其团队；维也纳大学的安东·塞林格和中国科技大学的潘建伟领导的合作项目；还有新加坡量子技术中心的亚历山大·凌和阿图尔·埃克特。

詹内怀恩博士的研究方案是让爱丽丝将偏振编码的光子发送给卫星。一旦爱丽丝建立了一个密钥，在另一块大陆上的鲍勃就等着卫星从他上空经过，这样他就可以发送更多的光子，来创建第二个密钥。然后卫星会将密钥混编在一起，并发送给鲍勃，而鲍勃由于已知第二个密钥，所以可以算出第一个密钥。现在，爱丽丝和鲍勃就有了一个共享的密钥，这样一来他们就可以通过正常的（不太耗费脑力的）地面网络进行安全通讯。詹内怀恩博士计划在未来12个月内找个时间测试一下这个设想，他将使用一架飞机而不是卫星。

另外一种更复杂的卫星方法是利用纠缠光子对。塞林格博士和凌博士的团队都在尝试这一方法。

纠缠是一种量子效应，即使光子分隔距离很远，纠缠效应也可以把它们紧密地联系起来。测量一个粒子的状态，你就可以知道纠缠对中另一个粒子的状态。通过这种方法，爱丽丝和鲍勃可以共享一个密钥，这个密钥由在卫星上产生的纠缠光子对构成的。塞林格博士希望用国际空间站上的一个QKD发射器来进行实验，他和他的团队已经在地面上进行了多年的纠缠实验。2007年，它们将纠缠光子对隔空送出144公里，跨越了加那利群岛。凌博士的设备将在轨进行纠缠测试，但不会将光子送回地球。

如果上述这些事情可以大规模实现，那么几年内爱丽丝和鲍勃应该会保持领先。至于倒霉的夏娃，她会发现自己卷入了一张牢不可破的量子网中。

《经济学人》2013年5月25日

via Tumblr http://yanghao.tumblr.com/post/51227481753