量子通信：絕密不可破譯的通信方式[圖]

保密通信是一個十分重要的科學(xué)研究領(lǐng)域，有著十分悠久并且充滿神秘的歷史，它隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步不斷得到提高和完善。時(shí)至今日，究竟有沒有一種絕對不可破譯的保密方式，能讓傳送的信息絕對安全可靠？

量子通信，就是迄今為止唯一被嚴(yán)格證明是無條件安全的通信方式。那么，究竟什么是“量子通信”？它的技術(shù)路徑選擇是怎樣的？中國量子通信領(lǐng)域目前的發(fā)展成果有哪些？它的潛在應(yīng)用和未來前景怎樣？下面就讓我們問專家，訪企業(yè)，一起揭開量子通信的神秘面紗。

量子通信究竟“神”在哪兒

當(dāng)你從遠(yuǎn)處觀看電腦屏幕時(shí)，你會發(fā)現(xiàn)，電腦中的畫面都是連續(xù)不斷的；然而，當(dāng)你用放大設(shè)備仔細(xì)觀察屏幕時(shí)，那些連續(xù)不斷的畫面都是由一粒粒最小單位的“像素點(diǎn)”構(gòu)成的。

量子也是如此。它聽起來很神秘，但卻每天無時(shí)無刻不充斥在我們身邊，比如我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷墓?，就是由大量光量子組成的。在微觀領(lǐng)域中，某些物理量的變化是以最小的單位跳躍式進(jìn)行，并不是連續(xù)進(jìn)行的。而量子就像電腦屏幕中的最小“像素點(diǎn)”一樣，它是能量中的最小單位。

“量子通信是指利用量子力學(xué)基本原理或基于物質(zhì)量子特性的通信技術(shù)。它是結(jié)合量子技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)的一種新興通信技術(shù)，在理論上可實(shí)現(xiàn)無條件安全的鏈路數(shù)據(jù)傳輸，被認(rèn)為是保障未來通信安全最重要的技術(shù)手段。”北京郵電大學(xué)智能網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)室主任李劍認(rèn)為。

而在清華大學(xué)物理系教授王向斌看來：“量子通信，簡單地說，就是基于光的單量子態(tài)實(shí)現(xiàn)的通信手段，以完成經(jīng)典通信手段無法完成的通信任務(wù)，例如保密性任務(wù)等。”

中科院院士、國家科技部“973”項(xiàng)目首席科學(xué)家、中國科技大學(xué)教授郭光燦告訴記者，整個量子通信中，具有短期內(nèi)實(shí)際應(yīng)用潛能的是量子保密通信，這其中最有用的部分就是量子密鑰分發(fā)。

“通過傳輸光的單量子態(tài)獲取的密鑰（即秘密隨機(jī)數(shù)）為量子密鑰。所謂秘密隨機(jī)數(shù)，就是除了通信雙方外，任何第三者都無從知道的隨機(jī)數(shù)。”王向斌說。

而經(jīng)典通信使用最廣泛的公鑰密碼，最典型的要數(shù)假定大型數(shù)據(jù)分解的數(shù)學(xué)難題。但是，隨著計(jì)算能力的不斷提高，特別是未來量子計(jì)算機(jī)的漸行漸近，這種數(shù)學(xué)難題的復(fù)雜性就迎刃而解了，經(jīng)典保密通信基于的數(shù)學(xué)方法并不能獲得嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明。“而量子保密通信最大賣點(diǎn)之一就是它的安全性獲得了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明，這也可以從其基本的量子力學(xué)的基本原理來解釋。”郭光燦表示。

李劍表示，目前我國已將以量子通信系統(tǒng)為核心的量子調(diào)控技術(shù)列入了《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020)》中重大研究計(jì)劃。我國從2001年開始，在科技部“973”計(jì)劃、“863”計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中科院知識創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目的前瞻性支持下，量子通信科研方面取得了許多重要研究成果。

量子通信的技術(shù)路徑選擇是怎樣的

是否有必要走一條全新的量子通信技術(shù)路線？記者采訪的多位專家、學(xué)者表示，從目前的實(shí)際情況來看，將量子通信網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合是其最優(yōu)的發(fā)展戰(zhàn)略?；ヂ?lián)網(wǎng)在最初設(shè)計(jì)時(shí)并沒有全面深入地考慮其自身的安全性，這是造成現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)安全問題十分突出的主要原因之一。

“走量子通信與經(jīng)典通信的融合發(fā)展之路是基于技術(shù)上的考慮，而不是基于經(jīng)濟(jì)層面的考慮。”郭光燦認(rèn)為，量子通信極強(qiáng)的保密性是基于量子密鑰技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的，密鑰也是基于量子的特殊性而研發(fā)的，而其他通信方面的技術(shù)與傳統(tǒng)經(jīng)典通信差異不大。

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院物理研究所研究員于淥在接受本報(bào)記者采訪時(shí)表示：“量子通信從原理走上小范圍專用問題的實(shí)用化，是現(xiàn)在全世界都在努力的方向。中國的起步不錯，也有很好的學(xué)術(shù)帶頭人，下一步的發(fā)展就是明確定位的問題。這其中，十分重要的一方面就是要注意將量子通信與現(xiàn)有的傳統(tǒng)通信相互融合，要善于借鑒現(xiàn)有的通信技術(shù)來發(fā)展量子通信技術(shù)。”

多位專家認(rèn)為，量子通信和經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的融合需要解決物理層和組網(wǎng)技術(shù)、中繼技術(shù)和通信應(yīng)用技術(shù)等方面的相互融合問題。由于傳統(tǒng)的光通信可能在未來很長一段時(shí)間內(nèi)仍然是主要通信技術(shù)手段，因此，在光通信網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)，將是雙方融合的基礎(chǔ)。

在現(xiàn)實(shí)的量子通信中，量子通信與現(xiàn)有傳統(tǒng)通信的融合是一個相互“取長補(bǔ)短”的過程。“量子通信不會完全取代現(xiàn)有的通信技術(shù)，而是在現(xiàn)有的技術(shù)上在物理層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三方面將兩者進(jìn)行完美融合。”郭光燦告訴記者。

郭光燦進(jìn)一步解釋，從物理層來說，可以從光源、探測器和信道方面考慮。“在網(wǎng)絡(luò)層方面，我們可以采取獨(dú)立的信道和統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也可以用一根光纖既傳遞量子信號又傳遞經(jīng)典信號。”

而在應(yīng)用層面，郭光燦建議，量子通信可以同現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)安全協(xié)議相結(jié)合，用量子密碼來替換現(xiàn)有協(xié)議中的初始密碼。他表示，這樣既可以得到更可靠的安全性，也可以保持較高的通信速率。他舉例說：“我們用量子密碼生成種子密鑰，然后用傳統(tǒng)的經(jīng)典方法進(jìn)行擴(kuò)張，這樣既可以保證種子密鑰的可靠安全，同時(shí)也可以保證較高的通信效率。”

中國量子通信發(fā)展成果有哪些

古人在信封上用火漆封口，信件一旦在運(yùn)輸途中被拆開，便會留下“泄密”的痕跡。不難理解，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動銷毀，并讓使用者獲知情況。由此來看，擁有這項(xiàng)技術(shù)成果對我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展影響巨大。而事實(shí)上，在量子通信領(lǐng)域，我國已是世界上最有發(fā)言權(quán)的僅有的幾個國家之一，成果斐然。

“在不需要中繼的情況下，我國的量子通信技術(shù)可以在200多公里的距離上保證通信安全。在這一層面，我國是在世界上領(lǐng)先的。”郭光燦坦言，這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際層面上，安全距離可達(dá)100多公里，“我國與美國、歐洲、日本等科技發(fā)達(dá)國家水平相當(dāng)”。

郭光燦是我國量子信息的理論與實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的著名科學(xué)家之一，其“段-郭概率量子克隆機(jī)”被認(rèn)為是“該領(lǐng)域最激動人心的進(jìn)展之一”，“量子避錯編碼”被公認(rèn)為三種不同原理編碼之一。[!--empirenews.page--]

今年10月，郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在高維量子信息存儲方面取得重要進(jìn)展。據(jù)了解，該實(shí)驗(yàn)室史保森教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在國際上首次實(shí)現(xiàn)了攜帶軌道角動量、具有空間結(jié)構(gòu)的單光子脈沖在冷原子系綜中的存儲與釋放，證明了建立高維量子存儲單元的可行性，邁出了基于高維量子中繼器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大信息量量子信息傳輸?shù)年P(guān)鍵一步。這項(xiàng)成果在線發(fā)表在著名的《自然·通訊》上。

此外，該實(shí)驗(yàn)室李傳鋒教授研究組與英國、意大利兩國的合作者利用一個兩粒子體系的簡單模型，實(shí)驗(yàn)上觀測到經(jīng)典噪聲環(huán)境中量子關(guān)聯(lián)的恢復(fù)現(xiàn)象。這項(xiàng)研究成果于去年11月29日在線發(fā)表于《自然·通訊》上。

業(yè)內(nèi)專家表示，這項(xiàng)研究成果使在經(jīng)典噪聲環(huán)境中對量子關(guān)聯(lián)資源的調(diào)控成為可能，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)簡化量子關(guān)聯(lián)恢復(fù)所需要的條件，并為研究量子關(guān)聯(lián)在經(jīng)典噪聲環(huán)境中的恢復(fù)開辟了一條新路徑。

不僅僅在實(shí)驗(yàn)室等科研領(lǐng)域，量子通信在國內(nèi)不少科技企業(yè)也發(fā)展勢頭良好。由2010年3月成立的山東量子科學(xué)技術(shù)研究院有限公司建設(shè)完成的“濟(jì)南量子通信試驗(yàn)網(wǎng)“，便是山東省首批戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目。

據(jù)了解，該試驗(yàn)網(wǎng)在濟(jì)南市區(qū)擁有50個節(jié)點(diǎn)用戶單位，服務(wù)用戶90個，涵蓋省、市黨政機(jī)關(guān)、檢察院系統(tǒng)、金融系統(tǒng)、高校及科研院所，為用戶提供安全保密的語音電話、傳真、文本通信和文件傳輸?shù)榷喾N業(yè)務(wù)服務(wù)。作為目前世界規(guī)模最大的量子通信城域網(wǎng)絡(luò)，在方案設(shè)計(jì)和開發(fā)中，該試驗(yàn)網(wǎng)充分考慮并參考了經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性、可管理性、可維護(hù)性、可靠性以及網(wǎng)絡(luò)安全等方面的要求。

山東量子科學(xué)技術(shù)研究院有限公司工程師姚東告訴記者：“濟(jì)南網(wǎng)作為量子通信網(wǎng)絡(luò)國家試驗(yàn)床的系統(tǒng)性平臺，在方案設(shè)計(jì)和開發(fā)中，該網(wǎng)絡(luò)充分考慮并參考了經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性、可管理性、可維護(hù)性、可靠性以及網(wǎng)絡(luò)安全等方面的要求，已成為日后再建量子通信網(wǎng)絡(luò)的樣本和標(biāo)桿。”

量子通信潛在應(yīng)用和未來前景

公元前405年，古希臘兩大城邦雅典和斯巴達(dá)之間的伯羅奔尼撒戰(zhàn)爭已近尾聲，雅典情報(bào)人員從波斯帝國帶回一條布滿雜亂無章的希臘字母的腰帶，當(dāng)這條“普通”的腰帶呈螺旋形狀纏繞在劍鞘上時(shí)，毫無規(guī)律可循的字母卻變成了一串串文字。

2400多年后的今天，隨著量子通信的發(fā)展與進(jìn)步，保密措施變得越來越復(fù)雜、越來越可靠。那么，量子通信的潛在應(yīng)用和未來前景怎樣？業(yè)內(nèi)人士表示，量子通信在未來的國際競爭將愈來愈激烈，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。

“量子通信在軍事、國防、金融等信息安全領(lǐng)域有著重大的潛在應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。”李劍認(rèn)為，量子通信不僅可用于軍事、國防等領(lǐng)域的國家級保密通信，還可用于涉及秘密數(shù)據(jù)、票據(jù)的政府、電信、證券、保險(xiǎn)、銀行、工商、地稅、財(cái)政等領(lǐng)域和部門。

李劍告訴記者，在國防和軍事領(lǐng)域，量子通信能夠應(yīng)用于通信密鑰生成與分發(fā)系統(tǒng)，向未來戰(zhàn)場覆蓋區(qū)域內(nèi)任意兩個用戶分發(fā)量子密鑰，構(gòu)成作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)機(jī)動的安全軍事通信網(wǎng)絡(luò)；此外，它還能夠應(yīng)用于信息對抗，改進(jìn)軍用光網(wǎng)信息傳輸保密性，提高信息保護(hù)和信息對抗能力；并能夠應(yīng)用于深海安全通信，為遠(yuǎn)洋深海安全通信開辟了嶄新途徑；利用量子隱形傳態(tài)以及量子通信絕對安全性、超大信道容量、超高通信速率、遠(yuǎn)距離傳輸和信息高效率等特點(diǎn)，建立滿足軍事特殊需求的軍事信息網(wǎng)絡(luò)，為國防和軍事贏得先機(jī)。

而在國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域和部門，“量子通信未來可用于金融機(jī)構(gòu)的隱匿通信等工程以及對電網(wǎng)、煤氣管網(wǎng)和自來水管網(wǎng)等重要基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)視和通信保障，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展”，李劍說。

記者從山東量子科學(xué)技術(shù)研究院有限公司獲悉，目前，城域范圍量子通信技術(shù)已經(jīng)完全成熟，從未來看，量子保密通信必將向更遠(yuǎn)距離骨干線路和更大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的方向發(fā)展，這也是國際上量子通信的應(yīng)用模式發(fā)展的趨勢。據(jù)介紹，國家計(jì)劃構(gòu)建連接北京、濟(jì)南、合肥、南京和上海等地的量子保密通信“京滬干線”，該項(xiàng)目總體目標(biāo)是和北京城域接入網(wǎng)以及上海城域接入網(wǎng)，并連接原有的山東“濟(jì)南量子通信試驗(yàn)網(wǎng)”和安徽“合肥城域量子通信試驗(yàn)示范網(wǎng)絡(luò)”，形成大尺度廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。

在未來，將計(jì)劃構(gòu)建以此網(wǎng)絡(luò)作為技術(shù)驗(yàn)證平臺和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，集成驗(yàn)證量子通信和應(yīng)用技術(shù)，開展遠(yuǎn)程高清量子保密視頻會議系統(tǒng)和其他多媒體跨域互聯(lián)應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)金融、政務(wù)領(lǐng)域的遠(yuǎn)程/同城金融數(shù)據(jù)災(zāi)備系統(tǒng)、金融機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等多項(xiàng)應(yīng)用示范。

不過，量子通信技術(shù)的未來發(fā)展前景并不會一帆風(fēng)順，也會遇到各種挑戰(zhàn)和困惑。據(jù)了解，量子信息技術(shù)包括兩方面：量子通信和量子計(jì)算機(jī)。而量子計(jì)算機(jī)目前仍然處在基礎(chǔ)研究階段，未能廣泛實(shí)際應(yīng)用。

盡管困難重重，但郭光燦仍信心滿滿。他向記者表示，量子保密通信已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工程化、產(chǎn)業(yè)化，在不久的將來會誕生一個新興產(chǎn)業(yè)——量子信息產(chǎn)業(yè)。

“神”氣十足的量子通信聽起來讓人不可思議，而事實(shí)上，它已經(jīng)漸行漸近般地走進(jìn)我們的生活。不難想象，隨著量子通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)和廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展，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)，量子通信將有望走向大規(guī)模應(yīng)用，為信息化社會的發(fā)展提供基礎(chǔ)的安全服務(wù)和可靠的安全保障。

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