□作者: Gary Stix
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量子密码技术已经从理论走向实验室，再从实验室走向产品。
在IBM的华生实验室里，Charles Bennett是位知名而优秀的理论家，也是量子计算这个新领域的创始者之一。像许多理论家一样，他待在实验室的经验并不多。他对外在的世界心不在焉，有一次甚至把茶壶放在隔水加热器上太久，从绿色煮成了红色。不过在1989年，Bennett决定和同事A. Smolin以及Brassard放手一搏，承担一项开创性的实验。该项实验根据量子力学的原理，展示了一种新的密码系统。
在这个实验里，他们让光子在昵称为“Martha阿姨的棺材”的光密盒里走了30厘米。光子振动（光偏振）的方向，代表一连串量子比特的0和1。量子比特组成了密码“钥匙”，可以对信息加密或解密。窃听者之所以剌探不到钥匙，是因为海森堡测不准原理——这是量子力学的基础之一，当我们测量量子态中的一个性质时，会使另一个性质受到扰动。在量子密码系统里，任何窃听光子流的行为将改变光子，使得发送者或接收者发觉。原则上，这种技术可以做出不可破解的密码钥匙。
从Bennett办公桌上的临时设计一直发展至今，量子密码技术已经有了长足的进展。现在美国国家安全局和联邦储备银行现在已经能够向两家小公司购买量子密码系统，而且未来还会有更多的产品。这个加密的新方法融合了量子力学与信息理论，成为量子信息技术的第一个主要商品。将来这个领域诞生的最终技术可能是量子计算机，它将具有超强的解码能力，而避免密码被破解的唯一办法可能就是量子密码技术。
现代密码专家所面临的挑战是，如何让发送者和接收者共同拥有一把钥匙，并保证不会外泄。一种称为“公用钥匙加密法”（public-key cryptography）的方法，通常被用来发送保密钥匙，对传送的信息加密或解密。这种方法之所以安全，是因为应用了因子分解或其他困难的数学问题。要计算两个大质数的乘积很容易，但要将乘积分解回质数却极为困难。目前在公用钥匙加密法中，最流行的RSA密码算法，就是利用质数分解原理。在发送者与接收者之间传递的秘密信息，是以“公用钥匙”来加密的，这个公用钥匙是个很大的数，例如408508091（实际用的数比这还要大得多）。资料只能用接收方的密匙来解密，这把密匙是公匙的两个质因子，在这个例子里就是18313和22307。
由于破解公用钥匙加密法很困难，因此在未来10年甚至更久，密匙的安全性仍然很高。但是随着量子信息时代的到来 （特别是量子计算机可以快速算出吓人的高难度因子分解），可以预示RSA和其他密码方案终将让位。英国布里斯托大学电子与电机工程系教授John Rarity说：“如果量子电脑成真，一切都会改变。”
量子密码与公用钥匙加密法的区别在于，当量子计算机出现时，前者仍能保持安全性。在发送者和接收者之间一种发送量子密码钥匙的方法是要求激光传递单一的光子，这些光子被两个模式中的一个所极化。首先，光子位于垂直或水平（直线模式），其次，它们位于垂直方向的偏左45度或偏右45度（对角线模式）。
不管是哪一种模式，光子的不同指向分别代表数字0和1这两个数字。依惯例，密码学者通常称发送者为爱丽丝，她随意选取直线或对角模式发送一串光子比特。接收者通常称为鲍勃，他也随机决定以两种模式之一来测量射入的比特。根据海森堡的测不准原理，他只能以一种模式来测量，而不是两种。只有当鲍勃与爱丽丝选用相同的模式时，比特的指向才能保证是正确的，不会影响原来的数值。
量子加密是一种基本上仍处于实验室阶段的先进技术，图示为MagiQ技术公司的量子加密实验室。
目前，想将量子密码放到实际网络上（而非点对点通讯）的首次尝试，已经开始进行。美国国防高级研究计划署资助了一项计划，连接6个网络节点，覆盖麻省剑桥的哈佛大学、波士顿大学以及BBN科技公司（这家公司在建立网际网路上曾扮演关键角色）。密匙通过专用的连接发送，然后将加密过的信息，通过网际网路传送出去。BBN主管这个项目的Chip Elliott说：“这可是第一次在实验室外连续操作量子密码网络。”这个网路传送的是一般的非机密网络信息，目的只是用来证实这一技术确实可行。Elliott表示：“我想这里唯一的机密，就是哪里有停车位。”2004年秋天，日内瓦的网际网路服务供应商Deckpoint与id Quantique共同展示了一个线路，可以将日内瓦内的好几台服务器的资料备份到10千米外的站台，并通过量子加密网路，频繁地发送新钥匙。
目前量子密码技术的应用仅限于地区性网路。这项技术的威力在于，任何人只要剌探到钥匙的传送，都必然会改变钥匙。但这也意味着，载有量子钥匙的信号不可能被网路设备放大，然后继续传送到下一个中继器。光学放大器会破坏量子比特。
为了延伸这些连接的距离，研究人员正在尝试用光纤之外的媒介传送量子钥匙。科学家爬上山顶（在那样的高度下，大气的干扰可以减到最小），想证明通过空气发送量子钥匙的可能性。2002年美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的一项实验创造了10千米的连接。同年，英国Farnborough的QinetiQ与德国慕尼黑的Ludwig Maximilian大学合作，在一个实验中将距离延伸到23千米，横跨南阿尔卑斯山的两个山顶。他们进一步改进技术，例如利用较大的望远镜进行侦测，用较佳的滤镜以及抗反射镀膜，希望由此建造出一个系统，能够收发距离1000千米以上的信号，这样的距离足以到达近地轨道卫星。一个卫星网络便可以覆盖全球。（欧洲太空总署正开展一项计划，要做地面对卫星的实验。欧盟在2004年4月也发起一项计划，要在通讯网络上发展量子密码技术，部分原因是为了防止梯队系统（Echelon）的窃听。梯队系统截取电子信息，供美、英以及其他国家的情报机构使用。）
密码专家希望最终能够最终发展出某种形式的量子中继器。它本质上就是量子计算机的一种基本形式，可以克服距离的限制。中继器能运作，靠的是爱因斯坦著名的“幽灵般的超距作用”。在2004年8月19日的《自然》杂志上，奥地利维也纳实验物理研究院的Anton Zeilinger及其同事发表了中继器的初步成果，他们在多瑙河底的下水道里拉了一条光纤缆线，两端则放置了“缠结”（entangled）的光子。测量一个光子的偏振状态（水平或垂直等），会使另一端的光子立即产生一模一样的偏振方向。
缠结的存在曾让爱因斯坦心里发怵，但是Zeilinger和他的团队利用缠结的两个光子之间的联系特性，将第三个光子的信息远距传输（teleport）了600米，跨过多瑙河。这样的传送系统可以借助多重中继器而延伸，使得钥匙中的光子比特能够穿山过水，越过大陆或海洋。要实现这一点，需要开发出奥妙的元件，例如能够存储量子比特而不会破坏它的量子存储器，然后再将比特传送到下一个连接。曾协助创立id Quantique、也曾做过远距离缠结实验的日内瓦大学教授Nicolas Gisin说：“这些都是初级阶段，还在物理实验室里面尝试。”
实现量子存储器的可能是原子而不是光子。2004年10月22日的Science杂志发表的一项实验表明了原子是如何实现量子存储器的。以奥地利因斯布鲁克大学研究人员的思想为基础，美国佐治亚理工大学的一个研究小组在论文中详尽说明了两组超冷铷原子云是如何缠结的。因为这一量子连接可以用一个量子比特记录，所以原子云所存储的量子比特数大大长于光子的存储。然后，该实验将原子的量子状态及其量子比特转移到光子，构成从物质到光的信息转移，并显示量子存储器是如何输出一个比特的。利用缠结云，佐治亚理工大学的Alex Kuzmich 与Dzmitry Matsukevich希望创立中继器，使量子比特传送到更远的距离。
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缠结曾让爱因斯坦心里发怵，但研究人员已经将这一现象应用于量子信息的远距传输。
支持量子密码技术不可破解的是一组假设，假设并不一定就能实现。其中的一个假设是，一个光子表示一个量子比特。量子密码系统采用脉冲激光工作，并将其强度减到10个脉冲包含的光子不多于一个（其余都是作废的），其中的一个原因是数据的传输速率太低。不过这只是统计上的可能性，实际脉冲可以产生一个以上的光子。理论上讲，一个窃听者可以通过窃取一个额外的光子来帮助解密信息。一种称为“隐私放大”（privacy amplification）的软件算法，利用掩蔽量子比特的值，来防护这种可能性。
但是密码专家希望有更好的光子源和探测器。美国国家技术标准局（NIST）是致力于这些设备的许多团体之一。该局的Alan Migdall说：“一个有趣的领域是，开发一种在同时到达的一个、两个或更多个光子时能显示其差别的探测器。”研究者还试图解决传输速度太慢的问题，而生成光子钥匙的速度是每秒100万比特，这比目前的任何效应都快了100倍，足以在视频中分配钥匙。
量子密码仍然可能会容易受到某些非常规的攻击。窃密者可以破坏接收者的探测器，使收到的量子比特泄漏返回到光纤，并被中途截获。堡垒总是可以从内部攻破的。麻省理工学院的量子计算专家Seth Lioyd说：“背叛是最原始的办法，对此量子力学无能为力。”然而，在量子信息崭露头角的年代里，这些新的保密方法，还是比编码书上的其他方法要好。
[谢懋纲/译 曾少立/校]
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