我國量子保密通信發(fā)展迅猛 有望走向大規(guī)模應(yīng)用[圖]

公元前405年，伯羅奔尼撒戰(zhàn)爭末期，雅典間諜從波斯帝國帶回一條布滿雜亂無章的希臘字母的普通腰帶，當(dāng)腰帶呈螺旋形纏繞在劍鞘上時，毫無規(guī)律可循的字母就變成了一段文字。這被認(rèn)為是世界上最早的密碼情報。

2400多年來，密碼作為保護信息的手段，在軍事、外交、經(jīng)濟、生活等領(lǐng)域得到全方位應(yīng)用。然而，盡管經(jīng)歷了手工加密、機器編碼、計算機編碼等不斷升級的過程，密碼變得越來越復(fù)雜、越來越可靠，但迄今無論什么樣的高級密碼，依然都有被破解的可能。

那么，有沒有一種絕對不被破譯的密碼，能讓傳送的信息安全可靠？

“現(xiàn)代量子信息理論與實驗的快速發(fā)展，有望破解這一難題。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室教授劉乃樂說。

量子通信很保密

一旦有人試圖打開信件，量子密鑰會讓信件自毀

量子理論認(rèn)為，微觀領(lǐng)域里，某些物質(zhì)可以同時處于多個可能狀態(tài)的疊加態(tài)，只有在被觀測或測量時，才會隨機地呈現(xiàn)出某種確定的狀態(tài)。因此，對物質(zhì)的測量意味著干涉，改變被測量物質(zhì)的狀態(tài)?；谶@一原理，科學(xué)家們提出量子密碼的概念，也就是用具有量子態(tài)的物質(zhì)作為密碼。這樣一來，任何截獲或測試量子密碼的操作，都會改變量子狀態(tài)。換言之，截獲量子密碼的人得到的只是無意義的信息，而信息的合法接收者也可以從量子態(tài)的改變中知道量子密碼曾被截取過。量子密碼被應(yīng)用于量子通信系統(tǒng)中，便是所謂的“量子保密通信”。

　　蔡華偉制圖

　　廣域量子信息示意圖

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖

傳統(tǒng)的保密通信可以分為“加密”、“接收”、“解密”三個過程，發(fā)送者將發(fā)送內(nèi)容通過某種加密規(guī)則（密鑰）轉(zhuǎn)化為密文，接收者在接到密文后采用與加密密鑰匹配的解密密鑰對密文進行解密，得到傳輸內(nèi)容。

量子保密通信的過程也相同，只不過作為加密和解密的密鑰不再是傳統(tǒng)的密碼，而是改用微觀粒子攜帶的量子態(tài)信息。這一看似微小的變化，使密鑰的安全性產(chǎn)生了徹底變化。

“古人在信封上用火漆封口，一旦信件被中途拆開，就會留下泄密的痕跡。”中國科大潘建偉院士打比方說，量子密鑰在量子通信中的作用比火漆更徹底——一旦有人試圖打開信件，量子密鑰會讓信件自毀，并讓使用者知曉。只要量子力學(xué)規(guī)律成立，量子保密通信就無法被破解。

應(yīng)用前景誘人

量子通信的距離和速度飛躍式提升。中國是后來者，但起點高，進展快

1984年，IBM華生實驗室工程師本奈特和布拉薩德提出全新的通信協(xié)議，叩開量子保密通信的大門。從那以后，由于量子通信技術(shù)誘人的應(yīng)用前景，西方發(fā)達國家投入了大量的人力物力進行理論和實驗研究。

近十幾年來，量子通信的距離和速率都有了飛躍式的提升，一些小規(guī)模的量子通信試驗網(wǎng)已經(jīng)建成，驗證了量子通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化的可行性。

“下一步的國際競爭將更加激烈，人類將致力于將量子保密通信向更遠(yuǎn)距離和更大規(guī)模的廣域網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。”劉乃樂介紹說，歐盟已提出歐洲量子通信未來發(fā)展目標(biāo)，將重點發(fā)展量子中繼和衛(wèi)星量子通信，實現(xiàn)千公里量級的量子密鑰分發(fā)；日本國立信息通信研究院計劃到2040年建成極限容量、無條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網(wǎng)絡(luò)；美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室過去幾年中則一直在悄悄創(chuàng)建一套輻射狀的量子互聯(lián)網(wǎng)。

在量子保密通信這場國際化競爭中，我國盡管屬于后來者，但起點高，進展快，在應(yīng)用研究的多個方面已經(jīng)達到世界先進水平，其中在城域量子通信關(guān)鍵技術(shù)方面已達到產(chǎn)業(yè)化要求，產(chǎn)業(yè)化預(yù)備與歐美處于同等水平。

在量子通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化研究方面，中國科大潘建偉小組于2008年建成光量子電話網(wǎng)，實現(xiàn)了“一次一密”加密方式的實時網(wǎng)絡(luò)通話。

2012年初，潘建偉小組在安徽省合肥市建成世界上規(guī)模最大的46節(jié)點量子通信試驗網(wǎng)，標(biāo)志著大容量的量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已取得關(guān)鍵突破；與此同時，新華社和中國科大合作建設(shè)的金融信息量子通信驗證網(wǎng)在北京開通，在世界上首次實現(xiàn)利用量子通信網(wǎng)絡(luò)對金融信息的安全傳輸。

潘建偉小組還在量子存儲和量子中繼器技術(shù)方面處于國際領(lǐng)先地位，2012年，該小組實現(xiàn)了3.2毫秒的存儲壽命及73%的讀出效率的量子存儲，為目前國際上量子存儲綜合性能指標(biāo)最好的實驗結(jié)果。

量子衛(wèi)星助力

在不久的將來，量子保密通信將有望走向大規(guī)模應(yīng)用

“量子保密通信技術(shù)的實際應(yīng)用將分三步走：一是通過光纖實現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)；二是通過量子中繼器實現(xiàn)城際量子通信網(wǎng)絡(luò)；三是通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實現(xiàn)可覆蓋全球的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。”潘建偉說。

潘建偉認(rèn)為，目前，我國量子保密通信技術(shù)在城域網(wǎng)上的使用基本成熟，已經(jīng)可以推廣；城際量子通信網(wǎng)絡(luò)方面，連接北京和上海的千公里光纖量子通信骨干網(wǎng)工程“京滬干線”已正式立項，有望在兩三年內(nèi)投入使用。

但要實現(xiàn)廣域的量子保密通信，還需要借助衛(wèi)星。這是因為大氣對某些特定波長的光子吸收非常小，而且大氣層以外幾乎是真空，因此量子信息的攜帶者光子在外層空間傳播時幾乎沒有損耗。如能在技術(shù)上實現(xiàn)糾纏光子在穿透整個大氣層后仍然存活并保持其糾纏特性，就有望克服光纖傳輸?shù)娜觞c，將量子通信的距離大幅度提高，甚至達到覆蓋全球的范圍。

可以預(yù)想，隨著量子通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)，在不久的將來，作為保障未來信息社會通信安全的關(guān)鍵技術(shù)，量子保密通信將有望走向大規(guī)模應(yīng)用，成為電子政務(wù)、電子商務(wù)、電子醫(yī)療、生物特征傳輸和智能傳輸系統(tǒng)等各種電子服務(wù)的驅(qū)動器，為當(dāng)今信息化社會提供基礎(chǔ)的安全服務(wù)和最可靠的安全保障。

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目前，我國廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)計劃已經(jīng)開始，潘建偉團隊作為國內(nèi)唯一開展星—地自由空間量子通信實驗研究的團隊，牽頭組織了中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”，計劃在2016年左右發(fā)射，在此基礎(chǔ)上將實現(xiàn)高速星地量子通信并連接地面的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建我國廣域量子通信體系。

2005年，在世界上第一次實現(xiàn)了13公里自由空間量子通信實驗，證實了星—地量子通信的可行性；

2012年，在青海湖完成百公里自由空間量子態(tài)隱形傳輸與糾纏分發(fā)實驗；

2013年，在國際上首次成功實現(xiàn)星地量子密鑰分發(fā)的全方位地面驗證，為實現(xiàn)基于星地量子通信的全球化量子網(wǎng)絡(luò)奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。