于笑瀟

什么是量子通信？

在量子的世界中，對(duì)于一個(gè)微觀的粒子，測(cè)量過(guò)程本身將不可避免的給我們要測(cè)量的物體造成一個(gè)顯著的擾動(dòng)，而且即使在原則上，我們也完全沒(méi)辦法把這一擾動(dòng)減小到零；另一方面，觀測(cè)行為本身又會(huì)破壞粒子原來(lái)的狀態(tài)，讓你永遠(yuǎn)不可能知道粒子本來(lái)的狀態(tài)是什么。這就是量子不可克隆原理：你不能夠復(fù)制一個(gè)未知的量子態(tài)，而不改變量子態(tài)本身。量子不可克隆原理是量子加密的基礎(chǔ)。如果我們把想要保密傳輸?shù)男畔?，加載到一個(gè)個(gè)不可能被準(zhǔn)確觀測(cè)和復(fù)制的量子態(tài)上，而任何的竊聽(tīng)行為都會(huì)改變?cè)緜鬏數(shù)臄?shù)據(jù)。那么最后我們?nèi)∫徊糠謹(jǐn)?shù)據(jù)出來(lái)，檢查原本傳輸?shù)男畔⑹欠癖黄茐模湍軌驒z測(cè)到竊聽(tīng)者是否存在。

整個(gè)量子通信中，具有短期內(nèi)真實(shí)的應(yīng)用潛能的就是量子保密通信，其中最有用的部分就是量子密鑰分發(fā)。經(jīng)典通信使用最廣泛的公鑰密碼，是假定一些數(shù)學(xué)難題，最典型的是假定大型數(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(lái)量子計(jì)算機(jī)如果實(shí)現(xiàn)的話(huà)，這種數(shù)學(xué)難題的復(fù)雜性就迎刃而解了，換句話(huà)說(shuō)，經(jīng)典保密通信基于的數(shù)學(xué)方法不能獲得嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明。在這個(gè)背景下，量子保密通信最大的賣(mài)點(diǎn)就是它的安全性獲得了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明，這也可以從其量子力學(xué)的基本原理來(lái)解釋。

量子通信另一個(gè)核心內(nèi)容是隱形傳輸，是利用了光子等基本粒子的量子糾纏原理來(lái)實(shí)現(xiàn)保密通信過(guò)程。糾纏是一種詭異的超距離相互關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象：兩個(gè)糾纏在一起的粒子，即使被完全隔離，當(dāng)觀測(cè)一個(gè)粒子的狀態(tài)時(shí)，另一個(gè)粒子的狀態(tài)也會(huì)發(fā)生瞬時(shí)的改變。換言之，兩個(gè)粒子的量子狀態(tài)是完全關(guān)聯(lián)的。量子物理讓人最不可思議的地方在于，事物的狀態(tài)并不是唯一確定的。對(duì)于宏觀的硬幣而言，只可能存在兩種狀態(tài)：正面朝上或是反面朝上。但對(duì)于一枚量子硬幣，它可以既是正面朝上又是反面朝上。對(duì)于兩枚糾纏在一起的量子硬幣，如果發(fā)現(xiàn)其中一枚是正面朝上，另一枚也一定是正面朝上；當(dāng)發(fā)現(xiàn)一枚是反面朝上，另一枚也一定是反面朝上；如果發(fā)現(xiàn)一枚既是正面朝上又是反面朝上，另外一枚也一定既是正面朝上又是反面朝上。因此，糾纏所包含的關(guān)聯(lián)性，要比我們通常理解的宏觀上的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)得多。

事實(shí)上，糾纏的兩個(gè)粒子盡管可以在很遠(yuǎn)的距離上一個(gè)影響另一個(gè)，但它們無(wú)法傳遞任何信息。以密鑰為例，當(dāng)雙方共享同一套密鑰時(shí)，并沒(méi)有發(fā)生信息的傳遞，直到加密的文本傳來(lái)，密鑰才有意義。量子通信和傳統(tǒng)通信的唯一區(qū)別在于，量子通信采用了一種新的密鑰生成方式，而且密鑰不可能被第三方獲取。

向全球的量子通信網(wǎng)邁進(jìn)

發(fā)展量子通信技術(shù)的終極目標(biāo)是構(gòu)建廣域乃至全球范圍的絕對(duì)安全的量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)連接一個(gè)中等城市內(nèi)部的通信節(jié)點(diǎn)、通過(guò)量子中繼實(shí)現(xiàn)鄰近兩個(gè)城市之間的連接、通過(guò)衛(wèi)星與地面站之間的自由空間光子傳輸和衛(wèi)星平臺(tái)的中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)遙遠(yuǎn)兩個(gè)區(qū)域之間的連接，是實(shí)現(xiàn)全球廣域量子通信最理想的路線圖。

在這一路線圖的指引下，歐洲、美國(guó)和中國(guó)等在過(guò)去幾年中均進(jìn)行了戰(zhàn)略性部署，投入了大量的科研資源和開(kāi)發(fā)力量，進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和實(shí)用化、工程化探索，力爭(zhēng)在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)先機(jī)。光纖量子密碼技術(shù)目前正從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)量子密鑰分發(fā)的初級(jí)階段向?qū)崿F(xiàn)多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的量子安全性方向深入發(fā)展階段，全球各地正在加緊進(jìn)行量子通信系統(tǒng)的實(shí)用化和工程化建設(shè)。

由美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究署（DARPA）支持， BBN公司（具有很強(qiáng)的軍方特色）技術(shù)部聯(lián)合波斯頓大學(xué)與哈佛大學(xué)共同開(kāi)展了量子保密通信與IP 互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的五年試驗(yàn)計(jì)劃。該計(jì)劃主要內(nèi)容是以BBN技術(shù)部、波斯頓大學(xué)和哈佛大學(xué)作為三個(gè)節(jié)點(diǎn)以構(gòu)建融合現(xiàn)行光纖通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和量子光通信的量子互聯(lián)網(wǎng)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)保密通信。

在歐盟發(fā)布的《量子信息處理和通信：歐洲研究現(xiàn)狀、愿景與目標(biāo)戰(zhàn)略報(bào)告》中給出了歐洲未來(lái)五年和十年量子信息的發(fā)展目標(biāo)，例如將重點(diǎn)發(fā)展量子中繼和衛(wèi)星量子通信，實(shí)現(xiàn)1000公里量級(jí)的量子密鑰分配。歐洲空間局計(jì)劃到2018年將國(guó)際空間站上的量子通信終端與一個(gè)或多個(gè)地面站之間建立自由空間量子通信鏈路，首次演示絕對(duì)安全的空間量子密鑰全球分發(fā)的可行性。歐盟在2008年9月發(fā)布了關(guān)于量子密碼的商業(yè)白皮書(shū)，啟動(dòng)量子通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究，并聯(lián)合了來(lái)自12個(gè)歐盟國(guó)家的41個(gè)伙伴小組成立了SECOQC工程。

實(shí)用化進(jìn)程：與經(jīng)典通信的融合

從目前的實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，將量子通信網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合是最優(yōu)的發(fā)展戰(zhàn)略。互聯(lián)網(wǎng)在設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有深入地考慮安全性，這造成當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題十分突出。量子通信是人類(lèi)能掌握的最保密的通信技術(shù)，量子通信和經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)的融合研究對(duì)于提升未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的安全性具有重要的意義。

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)等幾個(gè)方面的融合問(wèn)題。對(duì)于未來(lái)網(wǎng)，應(yīng)當(dāng)從基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和利用上就考慮和量子通信的融合。由于傳統(tǒng)的光通信可能在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍然是主要通信技術(shù)手段，在光通信網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)，將是融合的基礎(chǔ)。

實(shí)際的量子通信中，量子通信與現(xiàn)有通信的融合是一個(gè)相互取長(zhǎng)補(bǔ)短的過(guò)程，量子通信不會(huì)完全替代現(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)用層將兩者進(jìn)行了融合。

從物理層來(lái)說(shuō)，可以從光源、探測(cè)器和信道方面考慮。在光源方面，利用單光子源或者單離子源，或者將激光光源衰減到單光子量級(jí)應(yīng)用到實(shí)際工程中；在探測(cè)方面，因?yàn)槭菃喂庾有盘?hào)源，需要特測(cè)器有單光子量級(jí)特征，對(duì)量子密鑰分發(fā)中的連續(xù)變量進(jìn)行測(cè)量；在信道方面，對(duì)于不同的光源用不同波長(zhǎng)的商用光纖即可滿(mǎn)足條件。

從網(wǎng)絡(luò)層來(lái)說(shuō)，一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(hào)又傳遞經(jīng)典信號(hào)；除了光纖技術(shù)，還需要采取例如基于糾纏交換的量子中繼技術(shù)來(lái)解決量子通信的遠(yuǎn)距離傳輸這一核心問(wèn)題；此外，在組網(wǎng)的往來(lái)上，可以采取電路交換或者波長(zhǎng)復(fù)用技術(shù)，并且增加量子路由器來(lái)進(jìn)行控制。endprint

從應(yīng)用層來(lái)看，我們可以跟現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)安全協(xié)議結(jié)合，用量子密碼來(lái)替換現(xiàn)有協(xié)議中的初始密碼，這樣既可以得到更高的安全性也可以保持實(shí)際的通信速率?，F(xiàn)在實(shí)際用到的量子保密分發(fā)的方法都是用誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)的方法。而一旦用量子的方法產(chǎn)生密鑰，則必須與后繼的經(jīng)典通信結(jié)合才能實(shí)際應(yīng)用。比如，我們用量子密碼生成種子密鑰，然后用經(jīng)典的方法進(jìn)行擴(kuò)張，這樣既保證了種子密鑰的安全，同時(shí)也有很高的通信效率。

量子通信在中國(guó)

量子信息因其傳輸高效和絕對(duì)安全等特點(diǎn)，被認(rèn)為可能是下一代IT技術(shù)的支撐性研究，并成為全球物理學(xué)研究的前沿與焦點(diǎn)領(lǐng)域?；谖覈?guó)近10年來(lái)在量子糾纏態(tài)、糾錯(cuò)、存儲(chǔ)等核心領(lǐng)域的系列前沿性突破，中科院于2011年啟動(dòng)了空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)，力爭(zhēng)在2015年左右發(fā)射全球首顆“量子通訊衛(wèi)星”。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉、彭承志、陳宇翱等人，與中科院上海技術(shù)物理研究所王建宇、光電技術(shù)研究所黃永梅等組成聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，于2011年10月在青海湖首次成功實(shí)現(xiàn)了百公里量級(jí)的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)。實(shí)驗(yàn)證明，無(wú)論是從地面指向衛(wèi)星的上行量子隱形傳態(tài)，還是衛(wèi)星指向兩個(gè)地面站的下行雙通道量子糾纏分發(fā)均可行，為基于衛(wèi)星的廣域量子通信和大尺度量子力學(xué)原理檢驗(yàn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

如果應(yīng)用量子通信這項(xiàng)高科技，中國(guó)軍方能瞬間傳送軍事信息而又確保萬(wàn)無(wú)一失。通過(guò)這項(xiàng)保密力度極強(qiáng)的科技的應(yīng)用，能大幅度提升軍隊(duì)的指揮和控制能力，使得中國(guó)在信息戰(zhàn)能力方面超越美國(guó)。

發(fā)射量子通訊衛(wèi)星早就被中國(guó)科學(xué)界列為一項(xiàng)核心任務(wù)。早在2011年9月，中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)、黨組書(shū)記白春禮在談到中國(guó)能否抓住第六次科技機(jī)遇時(shí)透露，中科院計(jì)劃在未來(lái)十年發(fā)射五顆科學(xué)衛(wèi)星，其中，量子通訊衛(wèi)星的衛(wèi)星發(fā)射將列為重中之重。

由于量子信號(hào)的攜帶者光子在外層空間傳播時(shí)幾乎沒(méi)有損耗，如果能夠在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)糾纏光子再穿透整個(gè)大氣層后仍然存活并保持其糾纏特性，人們就可以在衛(wèi)星的幫助下實(shí)現(xiàn)全球化的量子通信。這樣一來(lái)，這種世界上最為保密的通信手段將會(huì)覆蓋世界任何角落。

在西方眼中，中國(guó)未來(lái)將要發(fā)射的首顆量子通訊衛(wèi)星將是一顆戰(zhàn)略性和科學(xué)試驗(yàn)性的衛(wèi)星。關(guān)于這顆衛(wèi)星，中國(guó)科技大學(xué)早在三四年前就提出申請(qǐng)，國(guó)家2011年批準(zhǔn)可發(fā)射，目前計(jì)劃在2015年發(fā)射。據(jù)中國(guó)科技大學(xué)內(nèi)部人員透露，首顆量子通訊衛(wèi)星屬于一顆小衛(wèi)星，一般的衛(wèi)星都是幾噸重，它只有幾百公斤。另外，這枚量子通訊衛(wèi)星的執(zhí)行目標(biāo)很單一，就是用來(lái)試驗(yàn)量子通信的相關(guān)內(nèi)容。據(jù)了解，將會(huì)有專(zhuān)門(mén)的機(jī)構(gòu)制造出量子通訊衛(wèi)星，中科大只是在它上天后利用其做實(shí)驗(yàn)。

此外，首顆量子通訊衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命也很短，只有兩三年，完成預(yù)定的實(shí)驗(yàn)后可能就要墜毀。看來(lái)，這顆衛(wèi)星只是“探路者”，今后更多的量子通訊衛(wèi)星“上天”后，就可以打造一個(gè)全球性的量子通信網(wǎng)絡(luò)。endprint