美國正在研發(fā)量子密碼：理論上永遠(yuǎn)無法被破譯

量子計(jì)算擁有超乎想象的并行處理能力

科學(xué)社會(huì)學(xué)的奠基人貝爾納曾說：“科學(xué)與戰(zhàn)爭一直是極其密切地聯(lián)系著的。”今天，倘若我們要追溯風(fēng)靡全球的信息化戰(zhàn)爭之科技源頭的話，無疑是 1946年世界第一臺(tái)計(jì)算機(jī)“ENIAC”誕生所開啟的電子信息科技革命。然而，這一曾徹底顛覆機(jī)械化戰(zhàn)爭圖景的電子信息科技，在遵循“摩爾定律”飛速前行了數(shù)十年之后，制約其進(jìn)一步發(fā)展的系列問題日漸凸顯：電子計(jì)算機(jī)的極限運(yùn)算速度是否存在?越來越一體化的電子信息網(wǎng)絡(luò)如何應(yīng)對“網(wǎng)電空間戰(zhàn)”?等等。對此，近年來不斷突破的量子信息科技正在開啟新的機(jī)遇之門，勢必在未來重新涂抹戰(zhàn)神的面孔。

量子計(jì)算：從科幻走入現(xiàn)實(shí)的神奇魔力

曾創(chuàng)作出《侏羅紀(jì)公園》和《失去的世界》等作品的著名科幻作家邁克爾·克萊頓，在科幻小說《時(shí)間線》中曾嘗試用文學(xué)的筆調(diào)來想象量子計(jì)算的神奇。其中，一家名為國際技術(shù)公司的經(jīng)理們?nèi)绱送其N其眼中的高新科技：“普通的計(jì)算機(jī)用電子的兩種狀態(tài)計(jì)算，這兩種狀態(tài)被定為0和1。但在20年前，理查德·費(fèi)曼就提出，有可能利用電子所有的32個(gè)量子態(tài)來進(jìn)行快速計(jì)算?，F(xiàn)在有諸多實(shí)驗(yàn)室正在試圖制造這樣的計(jì)算機(jī)。它們的優(yōu)點(diǎn)是難以想象的、強(qiáng)大的并行計(jì)算能力。”

作為科幻作品，克萊頓的小說中充斥著“量子多宇宙”“量子泡沫蟲洞”“量子運(yùn)輸”“量子糾纏態(tài)”等令人既感新奇又感陌生的詞匯，書中之“電子的 32個(gè)量子態(tài)”說法也并不科學(xué)。然而，克萊頓預(yù)言的量子“并行計(jì)算”的強(qiáng)大潛力和美好前景，如今卻正在現(xiàn)實(shí)世界一步步得到印證。

具體而言，1965年，英特爾公司的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾針對電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展提出了“每18個(gè)月計(jì)算能力翻倍”的摩爾定律。然而，由于傳統(tǒng)技術(shù)的物理局限性，這一能力或?qū)⒃谖磥?0～20年之內(nèi)達(dá)到極限。據(jù)保守估計(jì)，2018年芯片制造業(yè)就將步入16納米的工藝流程，業(yè)內(nèi)專家則認(rèn)為，16 納米制程已經(jīng)是普通硅芯片的盡頭。事實(shí)上，當(dāng)芯片的制程小于20納米之后，量子效應(yīng)就將嚴(yán)重影響芯片的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，單純通過減小制程將無法繼續(xù)遵循摩爾定律，而突破的希望恰在于量子計(jì)算。

從理論上講，一個(gè)250量子比特(由250個(gè)原子構(gòu)成)的存儲(chǔ)器，可能存儲(chǔ)的數(shù)達(dá)2的250次方，比現(xiàn)有已知的宇宙中全部原子數(shù)目還要多。無論在基礎(chǔ)理論還是在具體算法上，量子計(jì)算都是超越性的。因此，對量子計(jì)算的相關(guān)研究及量子計(jì)算機(jī)的具體研制已成為世界科學(xué)領(lǐng)域最閃亮的“明珠”之一。比如，美國國防部對此就給予了高度重視，國防高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)專門制定了名為“量子信息科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃”的研究計(jì)劃，其對外公開宣稱的目標(biāo)是，若干年內(nèi)要在核磁共振量子計(jì)算、中性原子量子計(jì)算、諧振量子電子動(dòng)態(tài)計(jì)算、光量子計(jì)算、離子阱量子計(jì)算及固態(tài)量子計(jì)算等領(lǐng)域取得重大研究進(jìn)展。

量子密碼：構(gòu)筑“數(shù)字城堡”的銅墻鐵壁

近年來，諜戰(zhàn)劇熱播我國熒屏，圍繞著奪取情報(bào)、破譯密碼，一個(gè)個(gè)斗智斗勇的故事，吸引了無數(shù)觀眾的眼球。然而很多人并不知道，隨著量子信息技術(shù)的發(fā)展，密碼通訊正在迎來劃時(shí)代的變化，一種永遠(yuǎn)無法破譯的密碼或?qū)⒃诓贿h(yuǎn)的未來登上軍事斗爭舞臺(tái)。

具體來說，目前的密碼大都采用單項(xiàng)數(shù)學(xué)函數(shù)的方式，應(yīng)用了因數(shù)分解或其它復(fù)雜的數(shù)學(xué)原理。例如，在目前互聯(lián)網(wǎng)上比較常用的RSA密碼算法，就是應(yīng)用因數(shù)分解的原理。因?yàn)橐?jì)算兩個(gè)大質(zhì)數(shù)的乘積很容易，但要將乘積分解回質(zhì)數(shù)卻極為困難，這就使得密碼很難被破解。然而，美國科學(xué)家皮特·休爾卻提出了 “量子算法”，它利用量子計(jì)算的并行性，可以快速分解出大數(shù)的質(zhì)因子，這意味著以大數(shù)因式分解算法為根基的密碼體系在量子計(jì)算機(jī)面前不堪一擊。

差不多同時(shí)，另一個(gè)著名的量子算法——“量子搜尋算法”也被提出，用該方法攻擊現(xiàn)有密碼體系，經(jīng)典計(jì)算需要1000年的運(yùn)算量，量子計(jì)算機(jī)只需小于4分鐘的時(shí)間，從而使傳統(tǒng)密碼領(lǐng)域遭遇前所未有的挑戰(zhàn)，以致有科學(xué)家宣稱：“其意義不亞于核武器……一旦有些國家擁有了量子計(jì)算機(jī)，而另一些國家卻沒有，當(dāng)戰(zhàn)爭爆發(fā)的時(shí)候，這就猶如一個(gè)瞎子和一個(gè)睜眼的人在打架一樣，對方可以把你的東西看得清清楚楚，而你卻什么都看不到。”

當(dāng)然，量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)雖然會(huì)對傳統(tǒng)密碼產(chǎn)生顛覆，但是量子信息同時(shí)也提供了一個(gè)守護(hù)神，即一種理論上無法破解的密碼——量子密碼。由于采用量子態(tài)作為密鑰，具有不可復(fù)制性，因而無破譯的可能，量子密碼的出現(xiàn)也因此被視為“絕對安全”的回歸。世界各國紛紛將其納入國防科技發(fā)展戰(zhàn)略之中。如美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室就在研究量子局域網(wǎng)的密碼體系和自由空間量子密碼。此外，英國國防部及歐盟各國也啟動(dòng)了類似的量子密碼研究計(jì)劃。

量子通信：“超光速”聯(lián)通一體化戰(zhàn)場神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

這個(gè)世界上真的存在“超時(shí)空隧道”嗎?對此，科學(xué)家給出的答案是，伴隨著量子信息科技的持續(xù)發(fā)展，未來這一幻想不是沒有實(shí)現(xiàn)的可能。當(dāng)然，這一說法今天看來依然不無夸張，但其所謂的與“量子糾纏”密切關(guān)聯(lián)的“量子態(tài)隱形傳輸”則正在變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

通俗而言，兩個(gè)相距遙遠(yuǎn)的陌生人不約而同地想做同一件事，好像有一根無形的線繩牽著他們，這種神奇現(xiàn)象可謂“心靈感應(yīng)”。與此類似，所謂量子糾纏，是指在微觀世界里，有共同來源的兩個(gè)微觀粒子之間存在著糾纏關(guān)系，不管它們距離多遠(yuǎn)，只要一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生變化，就能立即使另一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)變化。量子通信正是利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型通信方式。此種通信技術(shù)若能得以實(shí)現(xiàn)，其影響將是劃時(shí)代的。

在時(shí)空方面，由于量子通信屬于超光速通信，不僅是“最快的通信”，而且有穿越大氣層的可能，從而為基于衛(wèi)星量子中繼的全球化通信網(wǎng)奠定了可靠基礎(chǔ)。日前，德國物理學(xué)家就正在利用量子糾纏效應(yīng)打造量子互聯(lián)網(wǎng)，其研究人員稱：“我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)原型，在節(jié)點(diǎn)之間完成了量子信息的可逆交換。此外，還可以在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生遠(yuǎn)程糾纏，并保持約100微秒……未來人們通過它不僅可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離的量子信息溝通，而且還將使大型量子互聯(lián)網(wǎng)完全實(shí)現(xiàn)成為可能。”

顯然，這一量子通信技術(shù)在軍事應(yīng)用方面有著無與倫比的廣闊前景，量子隱形通信系統(tǒng)將建立在各類作戰(zhàn)指揮控制體系之間和各種偵察預(yù)警系統(tǒng)、主要作戰(zhàn)平臺(tái)以及量子微空間武器系統(tǒng)之中，構(gòu)建出量子信息化戰(zhàn)場的通信網(wǎng)絡(luò)，以其超大信道容量、超高通信速率等特性，在未來的信息化戰(zhàn)爭中扮演無可替代的角色。亦正因此，近年來，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃署啟動(dòng)了多項(xiàng)量子通信方面的相關(guān)研究計(jì)劃。英國、德國、日本等國也都將量子通信技術(shù)納入議程，對其開展了廣泛的探索。

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