随着时代飞速发展，信息的快速传递和广泛应用已成为人们生活和社会发展的重要组成部分。然而，信息安全问题也随之而来，尤其是在外交、军事、经济等领域，信息的保密性至关重要。量子通信技术的出现，为解决这一问题带来了新的曙光。它基于量子力学的基本原理，对量子态进行精密操控，以实现两点间的信息传递，被认为是一种无条件安全的通信方式。
量子通信的“钥匙”
量子密钥分配是量子通信中的关键环节，其核心在于确保通信的安全性。1984 年，物理学家Bennett 和密码学家Brassard 提出了基于量子力学测量原理的 “量子密钥分配 BB84”协议。该协议利用光子的偏振特性来传递密钥，光子的偏振方向与特定的二进制编码相对应，发射端和接收端随机选择测量基进行测量，从而生成一组二进制量子密钥。
BB84量子密钥分配协议
光子是光的基本粒子，其偏振方向可以形象地理解为电场矢量在空间中的指向。常见的有水平（Horizontal）和垂直（Vertical）方向，分别用 H 和 V 表示，这两个方向相互垂直，构成了一个偏振基。另外，还有与水平和垂直方向成 45° 角的方向，也常被用于量子密钥分配协议中，分别表示为 “+”（正 45°）和 “×”（负 45°）。
我们可以这么理解，如果把光子比作硬币，那么光子的偏振方向就好比硬币的偏转角度。BB84 协议就好比选取了光子的四个偏转角度，并且将这些偏转角度与特定的二进制编码相对应起来。在密钥分配时，发送端和接收端需要随机设定两种 “洞口”，即测量基，如 “+” 和 “×”，让具有特定偏振方向的 “硬币”（光子）通过。在测量完成后，双方通过经典通信信道交换各自使用的测量基以及测量结果。若双方的测量结果一致，说明该部分密钥安全；若出现一定概率的不一致情况，就意味着可能存在窃听。这是因为在量子密钥分配过程中，一旦存在窃听者，其测量行为会不可避免地干扰光子的状态。比如，当窃听者测量 “硬币”（光子）的偏转角度后再将其发送给接收方时，由于测量操作会改变 “硬币”（光子）的偏转角度，接收方就有 1/4 的概率会得到与发送方不同的测量结果。一旦发现这种差异，发送方和接收方就会停止密钥分发。因为这表明当前的密钥分发过程不安全，所以需要重新选择安全的环境进行操作，直到确认没有窃听为止。这种特性使得量子密钥分配理论上能够实现无条件安全的密钥共享，从根本上保障了密钥的安全性。
通过BB84协议，发送端和接收端最终会得到一个完全相同的随机密钥。接下来他们可以用这个密钥加密真实信息。发送端通过传统密码学将信息转换为二进制明文后，就可以通过经典信道（普通网络）发送密文给接收端。接收端用相同的密钥解密后会先得到原始的二进制明文，通过传统密码学将二进制明文转换为文本后，接收端就能成功读取信息了。
BB84量子密钥分配协议示意图
从地面到太空：量子通信的发展历程与突破
当科学家们发现量子秘钥分配的原理后，它们又是进行通信网络建设的呢？在地面光纤网络建设方面，世界第一条量子保密通信主干线路 “京沪干线” 的建成是一个重要里程碑。不过，地面光纤在传输过程中会损失信号，这个问题限制了量子通信直接传输的安全距离。为了延长传输距离，需要建立多个可信中继站，但这又增加了信息被窃取的风险。因此，如何延长光量子通信直接传输的安全距离成为了研究的难点之一。
天地相连的量子通信网络（示意图）
随着航天技术的发展，科学家们将目光投向了外太空。外太空近乎真空的环境使光信号的损耗变小，利用量子卫星作为中转站还能够连接多个城市的城域量子通信网络，拓展量子通信的距离。我国的天宫二号空间实验室开展了 “量子密钥分配专项” 实验，其荷载的 “量子密钥分配试验空间终端” 通过与地面终端配合，建立起量子信道，进行了空——地量子密钥分配试验，为未来实用化天地一体广域量子保密通信网络建设奠定了基础。此外，“墨子号” 量子科学实验卫星也在量子密钥分配实验中发挥了重要作用，它与 “京沪干线” 等地面站点相连，构建了天地相连的量子通信网络，实现了每秒几千比特的密钥生成速度，有效保护了信息安全。
量子密钥分配试验空间终端（示意图）
量子通信技术的应用前景十分广阔。在日常生活中，当我们进行网银交易、上网浏览视频、点餐外卖等操作时，量子加密技术可能在背后默默守护着我们的信息安全，防止个人隐私泄露和数据被窃取。在航空航天领域，对于高度机密的数据传输，量子通信更是不可或缺，它能够确保重要信息的安全传递，避免因信息泄露而导致的严重后果。随着技术的不断进步，量子通信将在更多领域发挥重要作用，为信息安全保驾护航，推动社会朝着更加安全、高效的方向发展。
量子通信作为一项具有革命性意义的技术，凭借量子密钥分配的独特优势，从地面到太空不断发展突破，在信息安全领域展现出了巨大的潜力和应用前景，正逐步将 “天机不可泄露” 变为现实。
部分信息来源于中国科学院、新华网、国家密码管理局官方网站等：
（科学性审核：陆朝阳，中国科学技术大学教授，上海研究院执行院长；
彭承志，中国科学技术大学杰出讲席教授，博士生导师，美国光学学会会士）
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