图灵和他的破解机

　　到了信息时代，密钥的形式从字母变为了二进制。

　　随着互联网的大范围普及，人类之间的信息传递达到了前所未有的数量和频率，各种隐私信息越来越多地暴露在互联网上，因此，人类对保密通信的需求也到了前所未有的高度。  

　　今天保护我们互联网信息安全的加密方式称为“公开密钥”密码体系，其原理是通过加密算法，生成网络上传播的公开密钥，以及留在计算机内部的私人密钥，两个密钥必须配合使用才能实现完整的加密和解密过程。

　　目前我们互联网使用的加密标准是20世纪70年代诞生的RSA算法，即利用大数的质因子分解难以计算来保证密钥的安全性。

公开密钥加密 

　　但是随着计算能力的不断提升，RSA的安全性受到了挑战。

　　“山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村”，1984年，物理学家Bennett和密码学家Brassard提出了基于量子力学测量原理的“量子密钥分配”BB84协议，从根本上保证了密钥的安全性。

BB84量子密钥分配协议示意图 

　　随后经过多年的实验和技术改进，以“量子密钥分配”为核心的量子保密通信技术已经逐渐完成了实用化，并形成了一定的产业规模。

　　在地面光纤网络建设上，世界第一条量子保密通信主干线路“京沪干线”即将建成，这将大幅提高我国在军事国防、银行、金融系统的信息安全。

　　为了更远距离的量子保密通信，我们除了继续建设地面光纤网络以外，还需要借助天上的多个飞行器，实现覆盖光纤无法到达区域的量子密钥分配。 

　　天宫二号上的载荷“量子密钥分配专项”就是以实现空地间实用化的量子密钥分配为目标，通过天上发射一个个单光子并在地面接收，生成“天机不可泄露”的量子密钥。

　　天宫二号的轨道飞行高度大约为400多公里，飞行速度约每秒钟8公里，地面站的接收口径约一米。用来生成量子密钥的光子需要精准地打在地面站的望远镜上（编者注：就在十多天前，我国发射的第一颗量子实验通讯卫星——“墨子”号实现了第一次天地对话，戳这里了解：量子卫星与地面光学站天地对话）。 

　　这精准程度就如同在一辆全速行驶的高铁上，把一枚枚硬币准确地投到10公里以外的一个固定的矿泉水瓶里，难度可想而知。 

　　如果把光子比作硬币，那么光子的偏振方向就好比硬币的偏转角度。量子密钥的安全性就来自这些偏转角度。BB84协议就好比一共选取 “↑”、“→”、“↗”、“↘”四个偏转角度，并且都对应好二进制编码。密钥分配时，发射端和接收端都随机用“+”和“×”两种洞来让硬币通过。

BB84量子密钥分配协议 

　　扔一个硬币，双方就通过电话对比一下选的洞，留下洞一样时扔的硬币结果，就生成了二进制量子密钥。

　　如果中间有人窃听，窃听者只能随机的选择“+”和“×”两种洞。

　　测过硬币角度后，如果他不想被发现，需要把硬币再扔给接收方。但是这个硬币已经被他测过了，会有一半的概率改变了角度。

　　此时，接收方再测，最后就会发现硬币的测量结果和发送方有1/4的概率不同，就可以马上知道有窃听者的存在了。于是，发送方和接收方停止密钥分发，换个地方重新来，直到确认没有窃听为止。

　　因此，只要是成功分配的量子密钥，就一定是没有被窃听过的安全密钥，即“天知地知你知我知”的密钥，从而成功做到无法泄漏的天机。