正文
世界上最安全的密碼 真正的“獨一無二”
在現有的各種以數學理論為基礎的密碼中，沒有哪種是解不開的。而且，計算機技術的發展在使密碼術更複雜的同時，也降低了破譯密碼的難度。不過，在量子理論支配的世界裏，這一切將會完全改變。
最安全的密碼是什麽？
密碼，最重要的作用無疑是保護信息和資料的安全。因此，密碼的安全性是專家們一直追求的主要目標。
然而，在現有的各種密碼中，沒有哪種是解不開的。現在常用的標準加密方式是用一串隨機數字對信息進行編碼。比如，用數字串“5，1，19，20”來加密英文單詞“east”（四個數字分別表示單詞中四個字母在英文字母表中的位置）。這種加密方案有一個致命的缺陷——從數學上來講，隻要掌握了恰當的方法，任何密碼都是可以被破譯的。更糟糕的是，這種密碼在被竊聽破解時，不會留下任何痕跡，合法用戶無法察覺，還會繼續使用同一個地址儲存重要信息，損失就會更大。
在量子理論支配的世界裏，這一切將會完全改變。量子力學是隨機性的取之不竭的源泉；而且，這種隨機性非常特殊，無論多麽聰明的竊聽者，在破譯密碼時都會留下痕跡；最令人驚歎的是，量子密碼甚至能在被竊聽的同時自動改變！無疑，這是一種真正安全的、不可竊聽不可破譯的密碼。
天才的發明
量子密碼學的理論基礎是量子力學，而以往密碼學的理論基礎是數學。與傳統密碼學不同，量子密碼學利用物理學原理保護信息。首先想到將量子物理用於密碼技術的是美國科學家威斯納。威斯納在“海森堡測不準原理”和“單量子不可複製定理”的基礎上，逐漸建立了量子密碼的概念。
威斯納於1970年提出，可利用單量子不可複製的原理製造不可偽造的“電子鈔票”。由於這個設想的實現需要長時間保存單量子態，這是不太現實的，因此，“電子鈔票”的設想失敗了。但是，單量子態雖然不好保存卻可以用來傳遞信息，威斯納的嚐試為研究密碼的科學家們提供了一種新的思路。
量子密碼最基本的原理是“量子糾纏”——一個特殊的晶體將一個光子割裂成一對糾纏的光子。被愛因斯坦稱為“神秘的遠距離活動”的量子糾纏，是指粒子間即使相距遙遠也是相互聯結的。大多數量子密碼通信利用的都是光子的偏振特性——這一對糾纏的光子一般有兩個不同的偏振方向，就像計算機語言裏的“0”和“1”。 根據量子力學原理，光子對中的光子的偏振方向是不確定的，隻有當其中一個光子被測量或受到幹擾，它才有明確的偏振方向，它代表“0”和“l”完全是隨機的，但一旦它的偏振方向被確定，另外一個光子就被確定為與之相關的偏振方向。當兩端的檢測器使用相同的設定參數時，發送者和接收者就可以收到相同的偏振信息，也就是相同的隨機數字串。 另外，量子力學認為粒子的基本屬性存在於整個組合狀態中，所以由糾纏光子產生的密碼隻有通過發送器和接收器才能閱讀。竊聽者很容易被檢測到，因為他們在偷走其中一個光子時不可避免地要擾亂整個係統。
真正的“獨一無二”
當前，量子密碼研究的核心內容，是如何利用量子技術在量子通道上安全可靠地分配密鑰。所謂“密鑰”，在傳統的密碼術中就是指隻有通信雙方掌握的隨機數字串。
量子密鑰分配，其安全性由“海森堡測不準原理”及“單量子不可複製定理”保證。“海森堡測不準原理”是量子力學的基本原理，它說明了觀察者無法同時準確地測量待測物的“位置”與“動量”。“單量子不可複製定理”是海森堡測不準原理的推論，它指在不知道量子狀態的情況下複製單個量子是不可能的，因為要複製單個量子就隻能先作測量，而測量必然改變量子的狀態。根據這兩個原理，即使量子密碼不幸被電腦黑客擷取，也因為測量過程中會改變量子狀態，黑客得到的會是毫無意義的數據。
我們可以這樣描繪科學家們關於“量子密碼”的設想：由電磁能產生的量子（如光子）可以充當為密碼解碼的一次性使用的“鑰匙”。每個量子代表1比特含量的信息，量子的極化方式（波的運動方向）代表數字化信息的數碼。量子一般能以四種方式極化，水平的和垂直的，而且互為一組；兩條對角線的，也是互為一組。這樣，每發送出一串量子，就代表一組數字化信息。而每次隻送出一個量子，就可以有效地排除黑客竊取更多的解密“鑰匙”的可能性。
假如，現在有一個竊密黑客開始向“量子密碼”動手了，我們可以看到這樣一場有趣的遊戲：竊密黑客必須先用接收設施從發射出的一連串量子中“吸”去一個量子。這時，發射密碼的一方就會發現發射出的量子流出現了空格。於是，竊密黑客為了填補這個空格，不得不再發射一個量子。但是，由於“量子密碼”是利用量子的極化方式編排密碼的，根據量子力學原理，同時檢測出量子的四種極化方式是完全不可能的，竊密黑客不得不根據自己的猜測隨便填補一個量子，這個量子由於極化方式的不同很快就會被發現。
密碼術的發展
古希臘的斯巴達人將一條1厘米寬、20厘米左右長的羊皮帶，以螺旋狀繞在一根特定粗細的木棍上（見圖），然後將要傳遞的信息沿木棍縱軸方向從左至右寫在羊皮帶上。寫完一行，將木棍旋轉90度，再從左至右寫，直至寫完。最後將羊皮帶從木棒上解下展開，羊皮帶上排列的字符即是一段密碼。不用說，信息的接收者也需要有根同等粗細的棍子，收到羊皮帶後再將它裹到棍子上，才能讀出原始信息。這樣，即便羊皮帶中途被截走，隻要對方不知道棍子的粗細，所看到的也隻是一些零亂而無用的字句。這就是曆史上記載的人類最早對信息進行加密的方法之一。
後來，人們漸漸開始利用數學計算方法，用複雜的數字串對信息進行加密。然而，再複雜的數學密鑰也可以找到規律。第一台現代計算機的誕生，就是為了破解複雜的數學密碼。隨著計算機的飛速發展，破譯數學密碼的難度也逐漸降低。
1918年，美國數學家吉爾伯特·維那姆發明了一種被人們稱為“無懈可擊的密碼”的一次性密碼。他用毫無規律可循的數字或字母來替代一段情報中的若幹個字，而在以後發送情報時，不再重複使用這一套數字和字母隨機編排的程序。
這種密碼使用方式有明顯的弱點。每次發送情報，都需要重新編排一套加密和解碼的程序，不便於操作；而且，每次發送情報時，都需要把這套程序同時發送給指定的接收者，否則，就沒有解碼的鑰匙；而這把解碼的“鑰匙”也需要進行加密和解碼的設置，這樣，又出現了一把新的“鑰匙”……
二戰期間，納粹德國就是用這種為“鑰匙”加密再設置“鑰匙”的多重加密方式傳送情報，以為這是萬無一失的。結果，一次重複使用了同樣一把“鑰匙”的疏忽，使得極有耐心的英國情報人員破譯了德國人一連串的情報，在戰場上奪得了主動權。
密碼大戰逼迫人們不得不向科技頂端尋找信息的安全保障。幾乎在二戰的戰爭硝煙飄散後不久，各國的科學家就不約而同地打起了物理學的主意。於是，真正無法破譯的、最安全的密碼終於誕生了。
量子密碼的未來
目前，量子密碼的全部研究還在實驗室中，沒有進入實用階段。科學家們已經在量子密碼的相關研究中取得了一定進展，能在光纖中傳遞量子密碼。由於光子密鑰在光纖中傳輸時容易消耗，量子密碼長距離通信的難度較大。目前，實驗中的量子密碼的最大傳輸距離沒有超過100公裏。
除了最初利用光子的偏振特性進行編碼外，現在還出現了一種新的量子密碼的編碼方法——利用光子的相位特性進行編碼。在長距離的光纖傳輸中，光子的偏振性會退化，造成誤碼率的增加。與偏振編碼相比，相位編碼的好處是對光的偏振態要求不那麽苛刻。 任何一項科學研究，目的都是為了能夠服務於人類社會。“量子密碼”技術要達到可以普遍應用的目的，還有聳立的科學高峰需要科學家們去奮力攀登。
要使這項技術可以操作，大體上需要經過這樣的程序：在地麵發射量子信號——通過大氣層發送量子信號——衛星接收量子信號並轉發到散布在地球各個角落的指定接收目標。這項技術麵對的挑戰之一，就是大氣層中的空氣分子會把量子一個個彈射到四麵八方，但卻很難讓它被指定的衛星吸收。因此，量子密碼的傳輸距離就無法實現質的飛躍。
另外，研究人員還有一道科技難關需要攻破。信息的傳遞，需要最快的速度，但在目前，接受加密量子流的單量子裝置必須在低溫冷卻的狀態下，才能保證傳遞加密量子的速度。為此科學家已在抓緊研究一種辦法，力爭使它的作用和電話係統中的增音設施相同。據推測，這項研究在未來幾年內就可以見到成效。
在一些前沿領域，量子密碼技術非常被看好，很多針對應用的實驗正在進行。比如，美國的BBN多種技術公司正在進行一項研究實驗，他們把“量子密碼”引進了因特網，並加緊研究一種名為“開關”的設施，以便用戶可以在因特網上川流不息的加密量子流中接收屬於自己的密碼信息。這就如同給了用戶一麵鏡子，用戶可以從自己手裏的鏡子中得到彈射給他的那個密碼，而不再需要為其安裝一條條線路。
目前實用的量子信息係統還是宏觀尺度上的量子體係，人們要想做到有效地製備和操作這種量子體係的量子態還是十分困難的。人類在20世紀能夠精確地操控航天飛機和搬動單個原子，但卻未能掌握操控量子態的有效方法。在21世紀，我們應積極致力於量子技術的開發，推動科學和技術更迅速地發展。
【資料】
光的偏振性：光具有波粒二相性。光波是電磁波，電磁波是橫波，光矢量的振動方向在與光的傳播方向垂直的平麵（M麵）內。一般的人造光（我們通常看到的絕大部分光）都是偏振光，光子在M麵內隻沿一個固定的方向振動；而自然光（如太陽光）則是非偏振光，在M麵內，光子沿各個方向振動，而且振幅相同。
光的相位：所謂相位是指光波在前進時，光子振動呈現的交替的波形變化。由於光是電磁波，其光子振動與磁振動垂直，又與波的傳播方向垂直，導致了傳播時波形的變化。同一種光波通過折射率不同的物質時，光的相位就會發生變化，波長和振幅也會發生變化。
在現有的各種以數學理論為基礎的密碼中，沒有哪種是解不開的。而且，計算機技術的發展在使密碼術更複雜的同時，也降低了破譯密碼的難度。不過，在量子理論支配的世界裏，這一切將會完全改變。
最安全的密碼是什麽？
密碼，最重要的作用無疑是保護信息和資料的安全。因此，密碼的安全性是專家們一直追求的主要目標。
然而，在現有的各種密碼中，沒有哪種是解不開的。現在常用的標準加密方式是用一串隨機數字對信息進行編碼。比如，用數字串“5，1，19，20”來加密英文單詞“east”（四個數字分別表示單詞中四個字母在英文字母表中的位置）。這種加密方案有一個致命的缺陷——從數學上來講，隻要掌握了恰當的方法，任何密碼都是可以被破譯的。更糟糕的是，這種密碼在被竊聽破解時，不會留下任何痕跡，合法用戶無法察覺，還會繼續使用同一個地址儲存重要信息，損失就會更大。
在量子理論支配的世界裏，這一切將會完全改變。量子力學是隨機性的取之不竭的源泉；而且，這種隨機性非常特殊，無論多麽聰明的竊聽者，在破譯密碼時都會留下痕跡；最令人驚歎的是，量子密碼甚至能在被竊聽的同時自動改變！無疑，這是一種真正安全的、不可竊聽不可破譯的密碼。
天才的發明
量子密碼學的理論基礎是量子力學，而以往密碼學的理論基礎是數學。與傳統密碼學不同，量子密碼學利用物理學原理保護信息。首先想到將量子物理用於密碼技術的是美國科學家威斯納。威斯納在“海森堡測不準原理”和“單量子不可複製定理”的基礎上，逐漸建立了量子密碼的概念。
威斯納於1970年提出，可利用單量子不可複製的原理製造不可偽造的“電子鈔票”。由於這個設想的實現需要長時間保存單量子態，這是不太現實的，因此，“電子鈔票”的設想失敗了。但是，單量子態雖然不好保存卻可以用來傳遞信息，威斯納的嚐試為研究密碼的科學家們提供了一種新的思路。
量子密碼最基本的原理是“量子糾纏”——一個特殊的晶體將一個光子割裂成一對糾纏的光子。被愛因斯坦稱為“神秘的遠距離活動”的量子糾纏，是指粒子間即使相距遙遠也是相互聯結的。大多數量子密碼通信利用的都是光子的偏振特性——這一對糾纏的光子一般有兩個不同的偏振方向，就像計算機語言裏的“0”和“1”。 根據量子力學原理，光子對中的光子的偏振方向是不確定的，隻有當其中一個光子被測量或受到幹擾，它才有明確的偏振方向，它代表“0”和“l”完全是隨機的，但一旦它的偏振方向被確定，另外一個光子就被確定為與之相關的偏振方向。當兩端的檢測器使用相同的設定參數時，發送者和接收者就可以收到相同的偏振信息，也就是相同的隨機數字串。 另外，量子力學認為粒子的基本屬性存在於整個組合狀態中，所以由糾纏光子產生的密碼隻有通過發送器和接收器才能閱讀。竊聽者很容易被檢測到，因為他們在偷走其中一個光子時不可避免地要擾亂整個係統。
真正的“獨一無二”
當前，量子密碼研究的核心內容，是如何利用量子技術在量子通道上安全可靠地分配密鑰。所謂“密鑰”，在傳統的密碼術中就是指隻有通信雙方掌握的隨機數字串。
量子密鑰分配，其安全性由“海森堡測不準原理”及“單量子不可複製定理”保證。“海森堡測不準原理”是量子力學的基本原理，它說明了觀察者無法同時準確地測量待測物的“位置”與“動量”。“單量子不可複製定理”是海森堡測不準原理的推論，它指在不知道量子狀態的情況下複製單個量子是不可能的，因為要複製單個量子就隻能先作測量，而測量必然改變量子的狀態。根據這兩個原理，即使量子密碼不幸被電腦黑客擷取，也因為測量過程中會改變量子狀態，黑客得到的會是毫無意義的數據。
我們可以這樣描繪科學家們關於“量子密碼”的設想：由電磁能產生的量子（如光子）可以充當為密碼解碼的一次性使用的“鑰匙”。每個量子代表1比特含量的信息，量子的極化方式（波的運動方向）代表數字化信息的數碼。量子一般能以四種方式極化，水平的和垂直的，而且互為一組；兩條對角線的，也是互為一組。這樣，每發送出一串量子，就代表一組數字化信息。而每次隻送出一個量子，就可以有效地排除黑客竊取更多的解密“鑰匙”的可能性。
假如，現在有一個竊密黑客開始向“量子密碼”動手了，我們可以看到這樣一場有趣的遊戲：竊密黑客必須先用接收設施從發射出的一連串量子中“吸”去一個量子。這時，發射密碼的一方就會發現發射出的量子流出現了空格。於是，竊密黑客為了填補這個空格，不得不再發射一個量子。但是，由於“量子密碼”是利用量子的極化方式編排密碼的，根據量子力學原理，同時檢測出量子的四種極化方式是完全不可能的，竊密黑客不得不根據自己的猜測隨便填補一個量子，這個量子由於極化方式的不同很快就會被發現。
密碼術的發展
古希臘的斯巴達人將一條1厘米寬、20厘米左右長的羊皮帶，以螺旋狀繞在一根特定粗細的木棍上（見圖），然後將要傳遞的信息沿木棍縱軸方向從左至右寫在羊皮帶上。寫完一行，將木棍旋轉90度，再從左至右寫，直至寫完。最後將羊皮帶從木棒上解下展開，羊皮帶上排列的字符即是一段密碼。不用說，信息的接收者也需要有根同等粗細的棍子，收到羊皮帶後再將它裹到棍子上，才能讀出原始信息。這樣，即便羊皮帶中途被截走，隻要對方不知道棍子的粗細，所看到的也隻是一些零亂而無用的字句。這就是曆史上記載的人類最早對信息進行加密的方法之一。
後來，人們漸漸開始利用數學計算方法，用複雜的數字串對信息進行加密。然而，再複雜的數學密鑰也可以找到規律。第一台現代計算機的誕生，就是為了破解複雜的數學密碼。隨著計算機的飛速發展，破譯數學密碼的難度也逐漸降低。
1918年，美國數學家吉爾伯特·維那姆發明了一種被人們稱為“無懈可擊的密碼”的一次性密碼。他用毫無規律可循的數字或字母來替代一段情報中的若幹個字，而在以後發送情報時，不再重複使用這一套數字和字母隨機編排的程序。
這種密碼使用方式有明顯的弱點。每次發送情報，都需要重新編排一套加密和解碼的程序，不便於操作；而且，每次發送情報時，都需要把這套程序同時發送給指定的接收者，否則，就沒有解碼的鑰匙；而這把解碼的“鑰匙”也需要進行加密和解碼的設置，這樣，又出現了一把新的“鑰匙”……
二戰期間，納粹德國就是用這種為“鑰匙”加密再設置“鑰匙”的多重加密方式傳送情報，以為這是萬無一失的。結果，一次重複使用了同樣一把“鑰匙”的疏忽，使得極有耐心的英國情報人員破譯了德國人一連串的情報，在戰場上奪得了主動權。
密碼大戰逼迫人們不得不向科技頂端尋找信息的安全保障。幾乎在二戰的戰爭硝煙飄散後不久，各國的科學家就不約而同地打起了物理學的主意。於是，真正無法破譯的、最安全的密碼終於誕生了。
量子密碼的未來
目前，量子密碼的全部研究還在實驗室中，沒有進入實用階段。科學家們已經在量子密碼的相關研究中取得了一定進展，能在光纖中傳遞量子密碼。由於光子密鑰在光纖中傳輸時容易消耗，量子密碼長距離通信的難度較大。目前，實驗中的量子密碼的最大傳輸距離沒有超過100公裏。
除了最初利用光子的偏振特性進行編碼外，現在還出現了一種新的量子密碼的編碼方法——利用光子的相位特性進行編碼。在長距離的光纖傳輸中，光子的偏振性會退化，造成誤碼率的增加。與偏振編碼相比，相位編碼的好處是對光的偏振態要求不那麽苛刻。 任何一項科學研究，目的都是為了能夠服務於人類社會。“量子密碼”技術要達到可以普遍應用的目的，還有聳立的科學高峰需要科學家們去奮力攀登。
要使這項技術可以操作，大體上需要經過這樣的程序：在地麵發射量子信號——通過大氣層發送量子信號——衛星接收量子信號並轉發到散布在地球各個角落的指定接收目標。這項技術麵對的挑戰之一，就是大氣層中的空氣分子會把量子一個個彈射到四麵八方，但卻很難讓它被指定的衛星吸收。因此，量子密碼的傳輸距離就無法實現質的飛躍。
另外，研究人員還有一道科技難關需要攻破。信息的傳遞，需要最快的速度，但在目前，接受加密量子流的單量子裝置必須在低溫冷卻的狀態下，才能保證傳遞加密量子的速度。為此科學家已在抓緊研究一種辦法，力爭使它的作用和電話係統中的增音設施相同。據推測，這項研究在未來幾年內就可以見到成效。
在一些前沿領域，量子密碼技術非常被看好，很多針對應用的實驗正在進行。比如，美國的BBN多種技術公司正在進行一項研究實驗，他們把“量子密碼”引進了因特網，並加緊研究一種名為“開關”的設施，以便用戶可以在因特網上川流不息的加密量子流中接收屬於自己的密碼信息。這就如同給了用戶一麵鏡子，用戶可以從自己手裏的鏡子中得到彈射給他的那個密碼，而不再需要為其安裝一條條線路。
目前實用的量子信息係統還是宏觀尺度上的量子體係，人們要想做到有效地製備和操作這種量子體係的量子態還是十分困難的。人類在20世紀能夠精確地操控航天飛機和搬動單個原子，但卻未能掌握操控量子態的有效方法。在21世紀，我們應積極致力於量子技術的開發，推動科學和技術更迅速地發展。
【資料】
光的偏振性：光具有波粒二相性。光波是電磁波，電磁波是橫波，光矢量的振動方向在與光的傳播方向垂直的平麵（M麵）內。一般的人造光（我們通常看到的絕大部分光）都是偏振光，光子在M麵內隻沿一個固定的方向振動；而自然光（如太陽光）則是非偏振光，在M麵內，光子沿各個方向振動，而且振幅相同。
光的相位：所謂相位是指光波在前進時，光子振動呈現的交替的波形變化。由於光是電磁波，其光子振動與磁振動垂直，又與波的傳播方向垂直，導致了傳播時波形的變化。同一種光波通過折射率不同的物質時，光的相位就會發生變化，波長和振幅也會發生變化。
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