量子通信起跑

　　柯普文

　　导读

　　据2014年11月2日召开的“2014量子通信、测量和计算国际学术大会”(简称国际量子学术大会)上披露，中科院“量子科学实验卫星”工程目前进展顺利。中国将在第一颗卫星工程顺利发射后，进一步开展研究，到2030年建成全球化的量子通信卫星网络。

　　人类通信还能有什么创新？

　　量子通信是指利用量子力学效应辅助信息传递的一种新型通信方式。关于量子通信的传言已经够多，最吸引人的传言是量子通信快到可以超越光速，甚至能瞬时将人由A地传送至B地，近乎时空穿越。

　　现实没有这么玄乎，量子通信不可能真的超光速，但其优势足以让人类孜孜以求：通信更快，更加安全。信息安全是人类的刚需，量子通信理论上具有“无懈可击”、“无条件安全”的优势，在军事、金融和个人私密方面意义重大。

　　包括美国、日本和中国在内的多个国家，正在竞逐这一开启未来的技术。与公众一般认为的此技术还处于实验室阶段不同，量子通信近年已初步走出实验室，开始商用。

　　2004年，世界上第一个量子密码通信网络在美国剑桥城正式运行。目前美国正试图建立上千公里的量子通信线路，未来还将建立起总长超过1万公里的环美国量子通信网络。

　　鲜为人知的是，与许多前沿技术中国处于落后状态不同，在量子通信领域，中国处于世界领先位置。中国已斥巨资在部分城市建立量子通信网，并且正在修建上千公里的量子通信“京沪干线”，2016年还要发射量子通信卫星。

　　量子通信的科学基础是量子力学。从20世纪开始，量子力学就开始改变世界。20世纪，量子力学被应用于物质科学和能源科学，产生了代表当代文明社会的诸多高科技成果，如核能、半导体、激光等。科学家预计，21世纪量子力学将被应用于信息科学，促使量子通信、量子计算等诞生，为人类提供绝对安全的信息传输方式和超越经典极限的超高速计算能力。

　　不过，梦想与现实距离尚远——虽然中国现在的量子通信手段、技术乃至产业化进程已经走在世界前列，但是不管是中国科学家还是国外同行所言的量子通信，并不是传统意义上的对数据进行直接通信，而主要是给传统的数据通信加上量子密钥作为安全堡垒。

　　“现在我们能够做到的，还只是一种加密手段，距离真正称为‘通信’还遥远，其理论上不可攻击的特性，在现实中也受到一定的限制。”一位受访学者指出。

　　有科学家比喻，目前的量子通信，相当于手机时代的“大哥大”阶段。显然，要使量子通信在传输容量上与经典通信可比拟，仍有较长的路要走。

　　“爱因斯坦的幽灵”

　　在通信技术如此发达的今天，各国间涉及政治外交、军事安全的大部分机密信件和物品，仍然通过最传统的方式——外交信使来传递。为什么？

　　原因很简单——即便是再高级的保密通信，只要是通过当前的电话线、无线电、光纤等手段，都会面临被破译和窃听的可能。以计算复杂性为基础的经典密码，在越来越强大的计算能力面前，总有一天会不值一提。

　　量子通信则完全不同。以物理定律为基础的量子密码的安全性，在理论上是无懈可击的。量子通信是目前惟一被人类证明绝对安全的保密通信方法。美国《商业周刊》曾把它列在改变人们未来生活十大发明的第三位。

　　除了可用于保密通信，量子密码还可以对使用到的个人资料进行保密，或者进行信息认证，用来证明某一信息来自某人或某处而未被改动。

　　量子(quantum)是现代物理的重要概念，指不可分割的基本能量单元。1900年，普朗克利用一份份量子概念，打破经典物理中能量连续分布的观念，解决了困扰物理学界多年的黑体辐射问题，这被公认为量子力学诞生的标志。

　　在普朗克作出这一大胆假设之后出生的海森堡，又提出了“测不准”原理，量子力学由此确立。

　　爱因斯坦利用量子学说成功解释了光电效应，并获得了诺贝尔奖，但他本人对量子力学充满疑虑。“上帝不掷骰子”，是他对于量子力学中一个粒子可以同时拥有多种状态最直接的反击。

　　为了说明量子力学理论的不完备性，爱因斯坦甚至发表了一篇论文，指出如果量子力学理论成立，则可能存在一个所谓纠缠状态，即同一来源的两个量子无论距离多远，其中一个状态的变化会导致另一个状态的变化，那么这两个粒子之间就存在着一种超光速的联系。爱因斯坦称这种联系为幽灵式相互作用(spooky action in a distance)，与相对论是矛盾的。

　　爱因斯坦原本认为不可能存在的“幽灵”，在多年后被科学家严密的实验所证明。1980年，法国物理学家阿兰·阿斯佩克特(Alan Aspect)，首次用实验证实了这一现象，阿斯佩克特因此被授予2010年沃尔夫物理学奖。

　　这种现象被称为“非定域性”。在过去30余年中，这一现象在世界各地的实验室里被大量地研究。在这些研究中发展起来的对单个量子状态和多个量子之间相互作用的主动调控技术，使得科学家意识到，人类有能力发展一种利用量子特性突破经典极限的安全信息传输技术，即量子密钥分发。

　　将量子力学用于密码

　　首先想到将量子力学用于密码的是美国哥伦比亚大学的斯蒂芬·威斯纳(Stephen Wiesner)。他基于“测不准原理”，在1970年提出用量子编码制造不可伪造的电子钞票。但该方案需要能长时间保存单量子态，被学界认为不大现实。

　　美国IBM公司沃森实验室的查尔斯·本内特(Charles Bennett)和加拿大蒙特利尔大学的吉利斯·布雷萨德(Gilles Brassard)受到威斯纳的启发，认识到单量子虽不好保存但可用于传输信息。他们在1984年提出了利用单光子偏振态编码传送密钥信息的量子密码协议。此协议目前被称为BB84协议。

　　1992年，本内特又提出一种与BB84协议类似、更简单但效率减半的方案，即B92协议。这两个协议，都是由A向B发射一系列不同偏振态的光子，由B对其进行随机测量，然后选取符合A要求的测量结果作为密码。在验证密码的过程中，如果存在窃听行为，可以从测量结果的错误率中发现。

　　更为玄妙的基于双量子纠缠态实现量子密码协议，由阿瑟·厄克特(Artur Ekert)于1991年提出，被称为EPR协议。通过纠缠量子系统的非定域性来传递量子信息，A和B双方各自对纠缠量子进行随机测量，然后选取测量方式相同的时候得到的结果作为密码。

　　1993年，本内特等六位科学家提出了量子隐形传态的设想，即利用纠缠粒子对远程关联，以纠缠粒子为信号载体对信号进行传输、调制与解调，将某个粒子的未知量子态传送给远处的另一个粒子，使该粒子处在这个未知量子态上。这一设想被公认为是量子通信的基础。

　　之所以说量子通信不可破译，是基于“海森堡测不准原理”和“单量子不可复制定理”，前者是指在同一时刻以相同精度测定量子的位置与动量是不可能的，后者是指在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的。这就保证了任何窃听者都无法在不改变密钥状态的前提下截取或者复制密钥信息。清华大学物理系教授龙桂鲁介绍说，量子密钥分发是相对容易实现的量子通信方式，其要求的操控技术比较简单，只需要一两个量子比特即可以。

　　小

　　资料

　　关于量子卫星计划

　　在前不久召开的“量子信息、量子计算和量子测量学科发展战略院士论坛”上，“量子科学实验卫星”工程常务副总师、中科院上海分院副院长王建宇透露，由中国完全自主研发的世界首颗“量子科学实验卫星”现已完成关键部件的研制与交付，卫星有望先于欧美在2016年左右发射，在轨设计寿命为两年。

　　中国量子通信首席科学家潘建伟指出，基于在中国青海湖等地进行的多项成功实验，中国量子科学实验卫星的主要技术攻关已经完成，目前正在进行建造卫星的工作，项目整体稳步推进。

　　此量子科学实验卫星的目标是实现高速星地量子密钥分发，实现北京与乌鲁木齐之间的量子保密通信，实现星地量子纠缠分发，并且计划在德令哈和丽江之间实现距离长达1200公里的大尺度量子非定域性检验，还将在卫星与阿里之间实现星地量子隐形传态。

　　潘建伟透露，中国将在2016年首颗卫星发射成功后，发射多颗卫星，到2020年实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发，届时联接亚洲与欧洲的洲际量子通信网也将建成。到2030年左右，则将建成全球化的广域量子通信网络。

　　在他看来，现在迫切需要解决的是量子存储、量子中继问题，这样量子密钥分发就可以传送得更远，就可以全球化。“现在大家在各显神通，真正实用化还需要10～20年的时间。”

　　在潘建伟看来，在完美的量子中继出现之前，卫星是实现远程量子通信的一个很好的解决方案，能实现几千公里之间的量子密钥分发。量子信号在从卫星传输到地面过程中的衰减，大概相当于在地面10公里的传输距离，安全性可以得到足够的保证。

　　卫星量子通信不可避免地会受到天气条件的影响。他说，只能保证在晴天可以工作，但是密钥也可以保存一段时间，天气不好的时候数据传不下来，天气好的时候就多送一点。对于重要的部门，这个码率已经足够。

　　潘建伟认为，从长远看，量子通信还是要用量子中继，包括探索如何可以利用不受天气影响的远红外进行通信，这需要发展新的探测器。

　　为推进量子通信产业化，中科大发起组建了两家公司，分别是安徽量子通信有限公司(下称安徽量通)、安徽问天量子科技有限公司(下称问天量子)。

　　安徽量通是中科大在2009年发起组建的，基于潘建伟团队的技术，目前这家公司是中国最大的量子通信设备制造商和系统服务供应商。2014年9月14日，安徽量通曾经对外表示，已经可以量产商用量子密码机。

　　据安徽量通总经理赵勇介绍，合肥、济南的城域量子通信网，以及即将建成的京沪干线，均使用了最可靠的技术。其他密码技术在理论上是不完全的，量子密码则会越来越安全。

　　成立于芜湖的问天量子，其技术基于郭光灿团队，2009年在芜湖建成了世界上第一个“量子政务网”。

　　赵勇指出，已有的量子通信方式，都需要经典信道的辅助，这是对于经典通信方式的补充，能让经典通信方式更加安全，而不是取代后者。

　　他透露，目前他们在北京、上海建设的量子通信网络，主要针对于金融系统、政务系统。“团队跟很多领域做了接触，对方认为我们确实解决了他们很长时间想解决的问题，即数据传输过程中的安全性。当然，他们也希望我们的技术更加成熟，门槛、标准都制定好。现在都是做试点。”