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量子通信:研究人员通过测量编码激光束中的"量子态"有新发现

E安全6月27日讯 经德国埃尔朗根马克斯普朗克研究所(Max Planck Institute)的研究人员研究验证,可测量卫星(距离地球3.8万公里远)激光发射的地面量子态,这是首次从如此远的距离测量量子态(微观粒子的运动状态)。

基于卫星的量子加密网络将为远距离发送的加密数据提供极为安全的方式。在短短五年时间内开发此类系统的效率极高,因为大多数卫星需要约10年的开发时间。通常情况下,从计算机到螺丝在内的每个组件必须经过测试和审核才能在残酷的太空环境下工作,并需在发射期间经历重力变化才能“存活”。

量子通信:研究人员通过测量编码激光束中的"量子态"有新发现-E安全

借助光保护数据安全

现如今,短信、银行交易和健康信息均根据数据算法加密处理,现代的银行交易和网络支付基本使用RSA加密算法,这种方法奏效的原因在于,其非常难以确定加密数据的具体算法。然而,专家认为,未来10年到20年,一旦有人发明了量子计算机就很可能破解这种算法,因此传统的密码不安全。

量子通信

日益严峻的安全威胁要求人们注重更强大的加密技术,例如量子密钥分配。这种密钥分配不依赖数学,而是使用光粒子属性即量子态进行编码,并发送解密编码数据所需的密钥。这就是利用了量子通信原理,在生成和发送加密信息用的密码的时候利用了部分量子力学。因为量子通信的密码不是预先设定死的,而是在通信的时候随机产生,因此能够不被窃听和破解,这是因为每次只发送一个光子,窃听者也不能复制一个一模一样的光子来(否则违反“量子不可克隆定理”),如果某人试图测量光粒子窃取密钥,通信各方将会收到密钥被攻击或不得使用密钥的提醒,从而改变光粒子的行为,即该系统检测到窃听就意味着通信是安全的。

量子加密的方法已经开发了十多年,但在远距离下不奏效,因为地面电信网络光纤中的残余光损耗削弱了敏感的量子信号。由于量子信号能够因传统的光学数据进行再生,因此在不借助光学放大器改变属性的情况下就无法再生。为此,最近有人推动开发基于卫星的量子通信网络,以连接不同都市圈、国家和州基于地面的量子加密网络。

虽然新发现表明,量子通信卫星网络不需要从头开始设计。德国马克斯普朗克光科学研究所的克里斯托夫·马夸特指出,将基于地面的系统转化为基于量子的加密让量子态与卫星通信仍需5至10年。

为何要测量量子态?

马夸特的团队与卫星通信公司Tesat-Spacecom GmbH和德国航天局紧密合作研究量子态。德国航天局先前代表德国经济能源部与Tesat-Spacecom签订合同,开发威胁光通信技术。“哥白尼”(Copernicus)激光通信终端以及欧洲数据卫星系统SpaceDataHighway目前已将该技术在太空用作商用。Copernicus是欧盟的地球观测计划。

事实证明,这项卫星光通信技术的运作模式与马克斯普朗克研究所开发的量子密钥分配相似。因此,研究人员便决定测试,是否有可能测量编码激光束(由太空其中一枚卫星发出)中的量子态。2015年及2016年初,这支研究团队在西班牙特纳里夫岛Teide天文台的地面站进行测量。他们在卫星不会运作(正常情况下)的范围内创建了量子态,并能从地面对量子进行限制性测量。

马夸特表示,根据测量结果可以推断,地球的光非常适合作为量子密钥分配网络。研究人员十分惊讶,因为这个系统并非为此目的而构建。工程师在优化整个系统上表现卓越。

研究人员目前正与Tesat-Spacecom和航天行业的其它公司合作,基于太空使用的硬件设计升级系统。这就要求升级激光通信设计,融合基于量子的随机数发生器,以创建随机密钥,并集成密钥的后置处理。

马夸特还指出,航天行业和其它组织机构对实施这些科学发现表现出浓厚的兴趣。并表示, 他们作为基础科学家正与工程师合作创建更出色的系统,并确保不忽视细节。

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