“天宫二号”量子密钥分配专项载荷

随着互联网的大范围普及，人类的信息传递达到了前所未有的数量和频率，伴随而来的信息安全隐患，令当下互联网使用的加密标准——RSA算法受到前所未有的挑战。

面对人类日益上升的信息安全需求，科学家寻找到了以“量子密钥分配”为核心的量子保密通信技术，并逐步从研究走向实用，形成了一定的产业规模。

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”即将建成，然而为了更远距离的量子保密通信，在建设地面光纤网络的同时，还需借助多个飞行器覆盖光纤无法到达区域的量子密钥分配。

“天宫二号”搭载的“量子密钥分配专项”，就是以实现空地间实用化的量子密钥分配为目标，通过天上发射一个个单光子并在地面接收，生成量子密钥。

据介绍，“天宫二号”轨道飞行高度大约为400多公里，飞行速度约为每秒钟8公里，地面站的接收口径约一米。用来生成量子密钥的光子，需要精准地打在地面站的望远镜上，精准程度就如同在一辆全速行驶的高铁上，把一枚枚硬币准确地投到10公里以外的一个固定的矿泉水瓶里。量子密钥分配的精准度和实现难度可见一斑。

然而，这项高难度实验又是如何为通信安全保驾护航的呢？这要从量子态的特性说起。

据中科大相关专家介绍，依据量子不可克隆定理，复制（即克隆）任何一个粒子的状态前，首先都要测量其状态。“但量子态不同于经典状态，非常脆弱，任何测量都会改变量子态本身，因此它无法被任意复制。”该专家告诉《中国科学报》记者。

当窃听者窃听经典信息时，相当于复制了经典信息，使原本接受者和窃听者各获得一份信息。“不过，量子信息传输时，由于无法克隆任意量子态，窃听者在拦截量子通讯信息的同时，也相当于销毁了所获得的量子态。”专家称。

以“天宫二号”量子密钥分配载荷为例，如果将“天宫二号”上发射的光子比作硬币，它的偏振方向就好比硬币的偏转角度，这也是量子密钥安全性的来源所在。

基于量子力学测量原理的“量子密钥分配”BB84协议，好比为硬币选取了“↑”、“→”、“↗”、“↘”四个偏转角度，并且都对应好二进制编码。密钥分配时，发射端和接收端都随机用“+”和“×”两种洞来让硬币通过。扔一个硬币，双方就通过电话对比一下选的洞，留下洞一样时扔的硬币结果，生成二进制量子密钥，从而从根本上保证了密钥的安全性。

如果有人窃听，窃听者只能随机选择“+”和“×”两种洞。测过硬币角度后，为掩盖窃听行为，他需要将硬币再扔给接收方。但是该硬币已经被测试，会有一半的概率改变角度。此时，接收方经过测试就会发现硬币的测量结果和发送方有1/4的概率不同，从而判断出存在窃听者，便可及时停止密钥分发，保障信息安全。

因此，专家强调，只要是成功分配的量子密钥，就一定是没有被窃听过的安全密钥，即“天知地知你知我知”的密钥，从而成功将信息保护得密不透风，打赢这场信息保卫战。

另外，专家同时表示，相较于“墨子号”量子科学实验卫星主要针对包括双向量子纠缠分发和量子隐形传态在内的纠缠相关的量子通信实验，“天宫二号”搭载的量子密钥分配载荷目标更加聚焦，只针对量子密钥分发实验。并且，由于“墨子号”是太阳同步轨道运行，一天单轨，其量子密钥分发只作为实验目标，而“天宫二号”一天多轨道运行，可以进一步尝试空地量子密钥分发应用。