量子通訊技術(shù)走在世界前列

隨著全球首枚量子通信衛(wèi)星“墨子號(hào)”的升空與量子通信加密光纖鏈路“京滬干線”的建成，我國量子通訊技術(shù)已走在世界前列。其中，量子不可克隆的原理讓量子通信技術(shù)從根本上解決了通信安全的問題。

2016年8月，中國成功發(fā)射了世界上首枚量子通信衛(wèi)星“墨子號(hào)”;2016年12月，遠(yuǎn)距離光纖量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)“京滬干線”完成建設(shè)，并有望今年下半年開通使用。

如此一來，中國將實(shí)現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)“上天下地”的構(gòu)建，真正奠定中國在量子通信領(lǐng)域的“大哥”地位。

量子科學(xué)讓“筋斗云”成為可能

盡管人們都為量子通訊技術(shù)在中國的發(fā)展而自豪，但卻甚少有人知道量子通信“冷知識(shí)”。量子是構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元，能量的最基本攜帶者，不可分割。好比上臺(tái)階，只能上一級(jí)臺(tái)階，而不能上半級(jí)。宏觀世界里的物理量似乎都能連續(xù)變化，但在微觀世界，許多物理量是量子化的，即存在一個(gè)最小的單位，不能再往下細(xì)分。

量子力學(xué)描述世界的語言與經(jīng)典力學(xué)有根本區(qū)別。經(jīng)典力學(xué)描述一個(gè)物體的狀態(tài)，會(huì)給出它的明確位置;量子力學(xué)描述一個(gè)微觀粒子的狀態(tài)，給出的則是疊加態(tài)——這個(gè)粒子在某些情況下既可能在這里，也可能在那里，沒有確定位置。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、量子衛(wèi)星項(xiàng)目首席科學(xué)家潘建偉說，這好比孫悟空的“分身術(shù)”，一個(gè)孫悟空同時(shí)出現(xiàn)在多個(gè)地方，孫悟空的各個(gè)分身就像是他的疊加態(tài)。在通信領(lǐng)域，經(jīng)典通信的信號(hào)只有0和1，量子通信不但有信號(hào)0和1，還有0+1、0-1等量子疊加態(tài)。

“而利用量子的糾纏態(tài)，可以把客體的信息，用量子隱形傳態(tài)的方式從一個(gè)地方傳到另一個(gè)遙遠(yuǎn)的地方?！迸私▊ケ扔?，將一個(gè)人在北京的所有信息傳輸?shù)缴虾?，然后用同樣多的物質(zhì)在那里重塑一個(gè)“我”，這是一種光速的旅行方式。因此量子力學(xué)不僅允許“分身術(shù)”，也允許“筋斗云”的存在。

信息安全獲得最大保障

從摩斯電碼到電報(bào)、傳真，從移動(dòng)電話到網(wǎng)絡(luò)通信，通信技術(shù)的發(fā)展在為人類提供便利的同時(shí)也帶來了通信安全的隱患。但是量子通信技術(shù)的出現(xiàn)，能夠完美地解決信息傳輸過程中的安全問題，真正做到“絕對(duì)”安全。

量子通信作為絕對(duì)安全的信息傳送方式，主要體現(xiàn)在光量子的不可分割性上。由于光量子的不可分割性，所以在單光子發(fā)射的情況下，竊聽者無法采用將光子分成兩半，一半用于獲得密鑰，一半傳輸給接收方的方式避免被發(fā)現(xiàn)。

同時(shí)，光量子還具有無法克隆性，因?yàn)楣庾邮菬o法準(zhǔn)確測(cè)量的，所以更無法被竊聽者復(fù)制，即無法通過準(zhǔn)確測(cè)量光子，克隆出一個(gè)一模一樣的光子從而獲取信息。即使有人竊聽信息，竊聽動(dòng)作造成的擾動(dòng)會(huì)使加密信息變成亂碼，從而無法還原信息;而與此同時(shí)，竊聽者的這一擾動(dòng)能夠讓通信雙方立即發(fā)現(xiàn)竊聽行為，從而加以規(guī)避。

另外，隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算性能的不斷提高，以及量子計(jì)算機(jī)的研制與發(fā)展，經(jīng)典傳統(tǒng)的公鑰算法（RSA）受到?jīng)_擊。相較于只能依靠密碼長度和復(fù)雜性保證安全性的RSA算法而言，量子通信可以真正做到“一次一密”，從而真正實(shí)現(xiàn)密碼無法被破譯。這也是量子通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)“絕對(duì)安全”的重要理由。

雖然量子加密技術(shù)完美的實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的加密傳輸，但仍存在問題：首先，量子加密采用的點(diǎn)到點(diǎn)傳輸不支持多用戶業(yè)務(wù)承載;其次，加密僅解決了通信傳輸安全但網(wǎng)絡(luò)仍會(huì)面臨病毒入侵、木馬植入、黑客攻擊等安全風(fēng)險(xiǎn)。如何解決上述安全問題，也是量子通信系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)中必須要考慮的問題。

墨子號(hào)與京滬干線

在量子通信領(lǐng)域，我國已經(jīng)走在世界前列。其中最有代表性的就是量子通訊衛(wèi)星“墨子號(hào)”和量子通信加密光纖鏈路“京滬干線”。

“墨子號(hào)”已升空超10個(gè)月，近日發(fā)布了首個(gè)世界級(jí)重磅成果：在國際上“墨子號(hào)”率先實(shí)現(xiàn)1200公里級(jí)的量子糾纏分發(fā)，首次在太空中較為嚴(yán)格地檢驗(yàn)了量子力學(xué)的完備性。

中國“墨子號(hào)”研究團(tuán)隊(duì)成員彭承志說，團(tuán)隊(duì)每晚僅有8分鐘的時(shí)間，在相距超過1200公里的兩個(gè)地面站，同時(shí)接收以每秒8公里的速度飛馳的衛(wèi)星“落子”——衛(wèi)星上的糾纏源載荷每秒產(chǎn)生800萬個(gè)糾纏光子對(duì)。經(jīng)過精巧設(shè)計(jì)，他們才能實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)的量子糾纏分發(fā)。

潘建偉則表示，經(jīng)過在軌測(cè)試后，“墨子號(hào)”目前已交付用戶開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。奧地利、德國、意大利和加拿大多家歐美科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)申請(qǐng)?jiān)谀犹?hào)上開展國際合作研究。

2016年4月26日，習(xí)近平總書記到中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)視察，在量子通信京滬干線運(yùn)管中心，潘建偉作了關(guān)于京滬干線建設(shè)進(jìn)展和量子科學(xué)衛(wèi)星研制進(jìn)展情況的匯報(bào)。他介紹，“京滬干線”總長2000余公里，從北京出發(fā)，途經(jīng)濟(jì)南、合肥，到達(dá)上海，共設(shè)有32個(gè)量子通信節(jié)點(diǎn)，是廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)。

“目前，我們正在進(jìn)行安全性和穩(wěn)定性的測(cè)試?！迸私▊ケ硎?，未來這條“干線”可為沿線城市間的金融機(jī)構(gòu)、政府及國家安全部門提供高速、高安全等級(jí)的信息傳輸保障。

編輯/麥婉華