854｜廖胜凯：量子密钥分发，从“墨子号”到“济南一号”｜中国科学院量子信息与量子科技创新研究院｜格致SELF скачать в хорошем качестве

854｜廖胜凯：量子密钥分发，从“墨子号”到“济南一号”｜中国科学院量子信息与量子科技创新研究院｜格致SELF

欢迎订阅我的频道，https://bit.ly/3tnM6wI ，佛系上新😊 廖胜凯：量子密钥分发，从“墨子号”到“济南一号” 从理论上而言，量子计算机的出现，可以解掉所有非对称的密码体系，而量子的原理又给予了我们新型的送密钥手段。结合卫星，我们实现了远距离的密钥传送，成功走在了世界的前沿… 演讲者：廖胜凯 中国科学院量子信息与量子科技创新研究院教授 演讲时间：2023年7月22日 夏日狂想 | 格致论道·湾区第23期 最早的时候很多人说，国外都没有做，你们为什么要做？但现在我们把它做成了。 大家好，我是来自中国科学院量子创新院的廖胜凯，想给大家讲讲“墨子号”和“济南一号”卫星研制的故事。 我今天的分享，是希望这些信息能传递给每一个人。但是，还有一些信息我不并希望别人知道。比如在网上采购时我的银行账号和密码，再比如战争中指挥官给前线战士下达的指令，这些信息要做到保密。 怎么保密呢？我们能不能把想传递的信息放到箱子里，再加把锁，然后让快递员送到对方手中呢？这样有钥匙的人就能把锁打开，把信息还原出来。这其实就是最原始的加密和解密过程。 在2000多年前，希腊的斯巴达人就开始运用这个原理了。最初其实很简单，他们不再直接把自己要传递的信息写到纸上，而是让这个纸条先绕着一根木棒旋转，然后再在上面写字。 传送的时候只把这张纸送到对方手中，这个木棒是不传出去的。当别人看到纸条时，里面的信息都是乱的，看不出要表达的信息是什么。但当接收的这个人拿同样规格的棒子用它缠绕起来后，就能读出原来的信息。虽然这个加密方式比较简单，但它开启了密码学的历史。 到了二战时期，加密的手段就变得非常复杂了。德军的恩尼格玛（Enigma）密码系统有一亿亿种组合，大家很难把它破解出来。那是不是就没有了破解的方式呢？其实不是的。 当时，英国科学家图灵和他的团队发明了“炸弹”这个强大的解密装置。它是一个速度非常快的计算机，破解了德国人引以为豪的恩尼格玛密码系统，加速了二战的结束。 也就是说，密码和计算机形成了类似于矛和盾的关系，密码就相当于盾，而矛就是计算机。实际上，目前的传统密码体系基于一个叫做计算复杂度的问题。意思就是密码原则上是可以被算出来的，但是需要计算机花上百年、上千年。比如说我的银行账号密码虽然可以被算出来，但可能上百年之后才能得到结果，到那时候其实已经没有意义了，账号里面早就没有钱了。 然而，现在的超级计算机，包括全球正在研制的量子计算机为代表的超强计算能力对传统的密码系统提出了一个非常大的挑战。理论上讲，量子计算机可以破解所有的RSA类非对称的传统密码体系。 结合了量子的加密系统 那什么是量子呢？量子是微观粒子，看不见摸不着。 大家都知道一些微观的粒子，比如分子、原子、光子等等，但它们表现出来了非常多的量子特征。 量子是能量的基本携带者。比如我头顶上这个灯泡可能有100瓦，当你用一个衰减器使它不断衰减，衰减到1020、1021的时候，可以看到它是一份一份蹦出来的能量，叫做光子。 这个离散的、量子化的理念推进了量子力学的研究，于是才有了现在量子信息领域的发展。没有量子力学，可能就没有现代芯片，没有激光，也不会有我们现在这么方便的信息社会。 在这个过程中，量子不可分割和不可克隆的特点正好又给予了我们一个新型的传送密钥的手段。总体来讲就是，发射端把信息用一个个的光子编成0和1的状态，然后传送到接收端。接收端拿到的这个光子的信号，别的窃听者是拿不到的，而且也没有被照相机拍过。用它结合一次一密的加密方式得出来的这种加密系统，就算用再强大的计算机也破解不了。 在这个过程中，量子不可分割和不可克隆的特点正好又给予了我们一个新型的传送密钥的手段。总体来讲就是，发射端把信息用一个个的光子编成0和1的状态，然后传送到接收端。接收端拿到的这个光子的信号，别的窃听者是拿不到的，而且也没有被照相机拍过。用它结合一次一密的加密方式得出来的这种加密系统，就算用再强大的计算机也破解不了。 左边是想法提出5年后的第一个实验里，这个系统才能传输32厘米。大概20年以后，光纤信息通道距离就被做到了100公里，开启了产业化研究。那利用光纤的方式能把量子密钥做到千公里、万公里级别吗？这里面的挑战非常大。 量子卫星有可行性吗？ 左边是想法提出5年后的第一个实验里，这个系统才能传输32厘米。大概20年以后，光纤信息通道距离就被做到了100公里，开启了产业化研究。那利用光纤的方式能把量子密钥做到千公里、万公里级别吗？这里面的挑战非常大。 量子卫星有可行性吗？ 光纤类似一个水管，光子在里面传输的过程中会被水管给吸收掉，这其实就是损耗。这个损耗大概有多少呢？100公里之后，光子数只剩下到原来的百分之一，200公里以后就只有原来的万分之一了。到1000公里以后就有1后面20个0的一个损耗。所以要做到更远几乎不可能。 我们能看到远方的恒星，能探测到数亿光年的星光，是因为在太空的真空环境下，光子的损耗几乎可以忽略不计。那么，有没有可能利用这个特点，结合卫星实现更远距离的密钥传送呢？ 这其实就是我们最开始的想法。当然，即使真空里几乎没有损耗，但从卫星把光子打到地面进行探测，还需要穿过中间的大气。 我们首先想做的关键核心是什么呢？就是要把天上的光子准确地“扔”到地上的望远镜里。望远镜不可能无限大，所以就要扔得非常准。比如上海到广州之间大概1200公里，指向的准确度我们希望能控制到1米左右，类似于卫星上一个手电筒打过来的光斑尺寸大概也就12米，这样就能有效控制星地之间的损耗。 最早的时候，国外有的类似的技术，但我们的指标要求更高，一开始我们也希望从国外进口，但是他们不卖给我们中国。所以王老师带着我们几个学生，像草根一样，从0开始把它做起来。 我们花了2年多的时间，在成都验证了技术上的可行性。这是当时三十几度时，我们在一个篮球场旁边戴着草帽做实验的照片。当时大家心里都非常喜悦，因为我们做出了一个原来觉得不可能的事情。 把跟踪瞄准技术和量子信源探测器等融合之后，我们形成了真正的量子密钥分发装备。但是，仅仅在实验室验证还是不够的。 于是，我们就想要模拟卫星到地面的远距离损耗，还要模拟卫星飞来飞去的相对运动，所以我们把它搬到了青海的这个试验场里，把它放到了车上、吊车、吊篮上面验证。 除此之外，我们还把它放到了大的浮空热气球等各种环境里，让它在远距离下相对运动，由此来验证我们这个实验到底能不能做成。 做这个实验的时候还是挺辛苦的。这个实验只能晚上做，白天我们要不停地准备。在外场时我们基本都是坐在草地上，饿了就吃点干粮，晚上很多时候都是通宵。 我们从5月开始做实验做到了10月，直到整个青海湖都结冰了，才终于克服了各种设备的不稳定性、环境的各种干扰等等，完成了实验验证。正是因为这些数据，表明了卫星是具备可行性的。 点燃全球的量子激情 到2011年，在潘老师的带领下，我们完成了世界首颗量子科学实验卫星的立项。 除了星地的量子密钥分发实验之外，卫星还有另外的两个科学目标，即量子隐形传态和量子纠缠分发的实验。 👇🏽歡迎嘗試我頻道裡的其他影片👇🏽 通信：   • 通信   人工智能：   • AI·人工智能   航天：   • 航天   宇宙：   • 宇宙   教育：   • 教育   少年中国：   • 少年中国   植物：   • 中国科学院植物研究所   生物：   • 生物   心理：   • 心理   医学：   • 医学   生态：   • 医学   环境：   • 环境   药学：   • 药学   数学：   • 数学   物理：   • 物理   化学：   • 化学   艺术：   • 艺术   摄影：   • 摄影   传媒：   • 传媒   考古：   • 考古   恐龙：   • 恐龙   地震：   • 中国科学院地质与地球物理研究所   诺贝尔奖：   • 诺贝尔奖   工程：   • 工程   音乐：   • 音乐   建筑：   • 建筑   能源：   • 能源   #中科院 #格致论道 #科学 #科普 #知识 #知识科普 #格致論道 #科學 #知識 #知識科普 #教育 #self