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        量子通訊技術(shù)走在世界前列

        2017-08-23 10:19:02麥婉華
        小康 2017年23期
        關(guān)鍵詞:信息

        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(guó)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(wèn)題。

        2016年8月,中國(guó)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(lái),中國(guó)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(guó)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(guó)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(yǔ)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(méi)有確定位置。

        中國(guó)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(shuō),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(lái)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(guò)程中的安全問(wèn)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(wú)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(wú)法克隆性,因?yàn)楣庾邮菬o(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量的,所以更無(wú)法被竊聽者復(fù)制,即無(wú)法通過(guò)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(wú)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(zhǎng)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(wú)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(wèn)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(wèn)題,也是量子通信系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)中必須要考慮的問(wèn)題。

        墨子號(hào)與京滬干線

        在量子通信領(lǐng)域,我國(guó)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(guó)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(guó)“墨子號(hào)”研究團(tuán)隊(duì)成員彭承志說(shuō),團(tuán)隊(duì)每晚僅有8分鐘的時(shí)間,在相距超過(guò)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(wàn)個(gè)糾纏光子對(duì)。經(jīng)過(guò)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(guò)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(guó)、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(guó)際合作研究。

        2016年4月26日,習(xí)近平總書記到中國(guó)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(zhǎng)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(lái)這條“干線”可為沿線城市間的金融機(jī)構(gòu)、政府及國(guó)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

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