官方网站-首页

3月5日，顶刊《自然》杂志刊登了意大利科学家团队的研究成果，通过一块特殊设计的半导体材料，让照射在上面的激光与半导体材料相互作用，形成一种混合状态的粒子，称为“极化激元”（polaritons）。科学家团队已经发现这种粒子在具备“超流体”特征的同时，具有固体的一些特征。正好契合了科学家对 “超固体”的理论预期。

因此，“超固体”并非日常生活中有重量、有形状的固体，部分媒体报道为“光能变为固体“的描述并不准确，但光确实具备一些与日常经验相悖的性质。利用光子的”能量身份证“和”拐弯运动“特性，人们让光纤通信的加密成为可能。

从只能语音通话的“1G”，到可以视频聊天的“5G”，光纤功不(bù)可(kě)没(méi)。无(wú)论(lùn)是(shì)用(yòng)手(shǒu)机(jī)看(kàn)微(wēi)信(xìn)、刷(shuā)视(shì)频(pín)，还(hái)是(shì)车(chē)辆(liàng)读(dú)取(qǔ)定(dìng)位(wèi)、导(dǎo)航(háng)信(xìn)息(xi)，这(zhè)些(xiē)从(cóng)移(yí)动(dòng)终(zhōng)端(duān)发(fā)出(chū)的(de)无(wú)线(xiàn)信(xìn)号(hào)，经(jīng)临(lín)近(jìn)的(de)通(tōng)信(xìn)基(jī)站(zhàn)接(jiē)收(shōu)、处(chù)理(lǐ)成(chéng)按(àn)特(tè)定(dìng)规(guī)律发射的激光信号，通过光纤发往全国各地。光纤就像内壁贴满镜子的管道，光线会在其中不断反射，直到抵达另一端。无线信号和电信号容易受到干扰、能量衰减，因此需要许多基站“接力”，而光纤中的光信号可以无损传输很长距离，带来了巨大的效率提升，让陕煤曹家湾煤矿的无人巡检开采、襄阳的车流智能调控等需要快速反应、控制的应用得以实现。

随着各行各业更加依赖光纤实现自动操作、分享数据，其信息安全问题逐渐变得突出。实质上，光纤中的光能够实现完全反射，是需要光与光纤内壁(bì)始(shǐ)终(zhōng)保(bǎo)持(chí)一(yī)个(gè)较(jiào)小(xiǎo)的(de)角(jiǎo)度(dù)。如(rú)果(guǒ)受(shòu)到(dào)外(wài)力(lì)弯(wān)折(zhé)，一(yī)小(xiǎo)部(bù)分(fēn)光(guāng)就(jiù)会(huì)穿(chuān)透(tòu)光(guāng)纤(xiān)射(shè)出(chū)，别(bié)有(yǒu)用(yòng)心(xīn)的(de)人(rén)就(jiù)能(néng)借(jiè)此(cǐ)获(huò)知(zhī)其(qí)中(zhōng)信(xìn)息(xi)。因(yīn)此(cǐ)想(xiǎng)要(yào)安(ān)全传输敏感信息，就必须对内容加密，使得窃密人只能获取无法直接解读的密文。

现在我们利用光纤传递信息，依靠的是光纤内激光束射出位置（相位）、闪烁快慢（频率）等宏观特征，窃密人在大量相同的光中“偷取一点”，很难被人发觉。如果要用光作为密钥，那么就要找到能够让作为密钥的光“独一无二”的那种特性。科学家通过光电效应实验发现，光的能量有高低之分，而且并不是连续的。一些材料在接收到足够多能量后，会以光的形式放出这些能量；当有些材料能将“1份”能量转化成“1份”光，有些则是“2份”能量转化成“1份”光。科学家将这种单位命名为“量子”，“一份光”也就是一个光量子。能量水平便成为了光量子无法被拆分的“身份证明”。

既然光量子会因为能量的消耗改变性质，那窃听者可以重新给光量子“充能“，或是复制一份能量相同的光量子给原来的接收者，从而避免被发现吗？答案是否定的。关键在于光量子不仅有作为“身份证明”的能量水平，还有独特的运动状态。我们通常认为光是沿直线传播的，用手挡住阳光，会形成一片影(yǐng)子(zi)，这(zhè)是(shì)我(wǒ)们(men)认(rèn)为光沿直线传播的生活实例。但如果仔细观察影子的边缘，会发现它其实是模糊的——影子从手指边缘向内逐渐加深，表明光能够“绕过“障碍物传播。实验证明，单个光量子的传播方式与声波、水波、舞动的飘带更加类似，具备波动传播的性质。通过人为处理，相同能量的光量子也能以不同的波动轨迹传播。当单个光量子被窃密人截获的那一刻起，它的运动就随之停止或改变，也就无法得知之前的轨迹了。如果说能量水平是光量子的”身份证明“，运动状态也就成了光量(liàng)子(zi)的(de)”未(wèi)读(dú)标(biāo)记(jì)“。

由(yóu)于(yú)光(guāng)量(liàng)子(zi)无(wú)法(fǎ)被(bèi)拆(chāi)分(fēn)，且(qiě)无(wú)法(fǎ)通(tōng)过(guò)截(jié)获(huò)来(lái)得(de)知发出时的运动状态，光量子密钥在光纤内传播时的安全性(xìng)也(yě)就(jiù)得(de)以(yǐ)保(bǎo)证(zhèng)。但(dàn)原(yuán)本(běn)的(de)接(jiē)收(shōu)者(zhě)如(rú)何(hé)确(què)认(rèn)自(zì)己(jǐ)接(jiē)收(shōu)到(dào)了(le)正(zhèng)确(què)的(de)密(mì)钥(yào)，并(bìng)用(yòng)于(yú)解(jiě)密(mì)原(yuán)文呢(ne)？之(zhī)后(hòu)我(wǒ)们(men)将(jiāng)详(xiáng)细(xì)介(jiè)绍(shào)量(liàng)子(zi)密(mì)钥(yào)分(fēn)发(fā)技(jì)术(shù)中(zhōng)的(de)“BB84协(xié)议(yì)”。

本(běn)稿(gǎo)件(jiàn)经(jīng)中(zhōng)国(guó)通(tōng)信(xìn)学(xué)会(huì)量(liàng)子(zi)通(tōng)信(xìn)专(zhuān)委(wěi)会(huì)专(zhuān)家(jiā)审(shěn)核(hé)