量子通信：絕密的未來通信

于笑瀟

什么是量子通信？

在量子的世界中，對于一個微觀的粒子，測量過程本身將不可避免的給我們要測量的物體造成一個顯著的擾動，而且即使在原則上，我們也完全沒辦法把這一擾動減小到零；另一方面，觀測行為本身又會破壞粒子原來的狀態(tài)，讓你永遠不可能知道粒子本來的狀態(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?，加載到一個個不可能被準確觀測和復(fù)制的量子態(tài)上，而任何的竊聽行為都會改變原本傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。那么最后我們?nèi)∫徊糠謹?shù)據(jù)出來，檢查原本傳輸?shù)男畔⑹欠癖黄茐?，就能夠檢測到竊聽者是否存在。

整個量子通信中，具有短期內(nèi)真實的應(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，隨著計算能力的不斷提高，特別是未來量子計算機如果實現(xiàn)的話，這種數(shù)學(xué)難題的復(fù)雜性就迎刃而解了，換句話說，經(jīng)典保密通信基于的數(shù)學(xué)方法不能獲得嚴格的數(shù)學(xué)證明。在這個背景下，量子保密通信最大的賣點就是它的安全性獲得了嚴格的數(shù)學(xué)證明，這也可以從其量子力學(xué)的基本原理來解釋。

量子通信另一個核心內(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實現(xiàn)保密通信過程。糾纏是一種詭異的超距離相互關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象：兩個糾纏在一起的粒子，即使被完全隔離，當觀測一個粒子的狀態(tài)時，另一個粒子的狀態(tài)也會發(fā)生瞬時的改變。換言之，兩個粒子的量子狀態(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。但對于一枚量子硬幣，它可以既是正面朝上又是反面朝上。對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)性強得多。

事實上，糾纏的兩個粒子盡管可以在很遠的距離上一個影響另一個，但它們無法傳遞任何信息。以密鑰為例，當雙方共享同一套密鑰時，并沒有發(fā)生信息的傳遞，直到加密的文本傳來，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

發(fā)展量子通信技術(shù)的終極目標是構(gòu)建廣域乃至全球范圍的絕對安全的量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。通過光纖實現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)連接一個中等城市內(nèi)部的通信節(jié)點、通過量子中繼實現(xiàn)鄰近兩個城市之間的連接、通過衛(wèi)星與地面站之間的自由空間光子傳輸和衛(wèi)星平臺的中轉(zhuǎn)實現(xiàn)遙遠兩個區(qū)域之間的連接，是實現(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、美國和中國等在過去幾年中均進行了戰(zhàn)略性部署，投入了大量的科研資源和開發(fā)力量，進行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和實用化、工程化探索，力爭在激烈的國際競爭中占據(jù)先機。光纖量子密碼技術(shù)目前正從點對點量子密鑰分發(fā)的初級階段向?qū)崿F(xiàn)多節(jié)點網(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行量子通信系統(tǒng)的實用化和工程化建設(shè)。

由美國國防部高級研究署（DARPA）支持， BBN公司（具有很強的軍方特色）技術(shù)部聯(lián)合波斯頓大學(xué)與哈佛大學(xué)共同開展了量子保密通信與IP 互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的五年試驗計劃。該計劃主要內(nèi)容是以BBN技術(shù)部、波斯頓大學(xué)和哈佛大學(xué)作為三個節(jié)點以構(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、愿景與目標戰(zhàn)略報告》中給出了歐洲未來五年和十年量子信息的發(fā)展目標，例如將重點發(fā)展量子中繼和衛(wèi)星量子通信，實現(xiàn)1000公里量級的量子密鑰分配。歐洲空間局計劃到2018年將國際空間站上的量子通信終端與一個或多個地面站之間建立自由空間量子通信鏈路，首次演示絕對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，啟動量子通信技術(shù)標準化研究，并聯(lián)合了來自12個歐盟國家的41個伙伴小組成立了SECOQC工程。

實用化進程：與經(jīng)典通信的融合

從目前的實際應(yīng)用來看，將量子通信網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進行融合是最優(yōu)的發(fā)展戰(zhàn)略?；ヂ?lián)網(wǎng)在設(shè)計時并沒有深入地考慮安全性，這造成當今的網(wǎng)絡(luò)安全問題十分突出。量子通信是人類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)的融合研究對于提升未來網(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)等幾個方面的融合問題。對于未來網(wǎng)，應(yīng)當從基礎(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一段時間內(nèi)仍然是主要通信技術(shù)手段，在光通信網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)，將是融合的基礎(chǔ)。

實際的量子通信中，量子通信與現(xiàn)有通信的融合是一個相互取長補短的過程，量子通信不會完全替代現(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)用層將兩者進行了融合。

從物理層來說，可以從光源、探測器和信道方面考慮。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應(yīng)用到實際工程中；在探測方面，因為是單光子信號源，需要特測器有單光子量級特征，對量子密鑰分發(fā)中的連續(xù)變量進行測量；在信道方面，對于不同的光源用不同波長的商用光纖即可滿足條件。

從網(wǎng)絡(luò)層來說，一方面我們可以采取獨立的信道和統(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；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)來解決量子通信的遠距離傳輸這一核心問題；此外，在組網(wǎng)的往來上，可以采取電路交換或者波長復(fù)用技術(shù)，并且增加量子路由器來進行控制。endprint

從應(yīng)用層來看，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際的通信速率?，F(xiàn)在實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)典的方法進行擴張，這樣既保證了種子密鑰的安全，同時也有很高的通信效率。

量子通信在中國

量子信息因其傳輸高效和絕對安全等特點，被認為可能是下一代IT技術(shù)的支撐性研究，并成為全球物理學(xué)研究的前沿與焦點領(lǐng)域?；谖覈?0年來在量子糾纏態(tài)、糾錯、存儲等核心領(lǐng)域的系列前沿性突破，中科院于2011年啟動了空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項，力爭在2015年左右發(fā)射全球首顆“量子通訊衛(wèi)星”。

中國科學(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)合團隊，于2011年10月在青海湖首次成功實現(xiàn)了百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)。實驗證明，無論是從地面指向衛(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)原理檢驗奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

如果應(yīng)用量子通信這項高科技，中國軍方能瞬間傳送軍事信息而又確保萬無一失。通過這項保密力度極強的科技的應(yīng)用，能大幅度提升軍隊的指揮和控制能力，使得中國在信息戰(zhàn)能力方面超越美國。

發(fā)射量子通訊衛(wèi)星早就被中國科學(xué)界列為一項核心任務(wù)。早在2011年9月，中國科學(xué)院院長、黨組書記白春禮在談到中國能否抓住第六次科技機遇時透露，中科院計劃在未來十年發(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。

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

在西方眼中，中國未來將要發(fā)射的首顆量子通訊衛(wèi)星將是一顆戰(zhàn)略性和科學(xué)試驗性的衛(wèi)星。關(guān)于這顆衛(wèi)星，中國科技大學(xué)早在三四年前就提出申請，國家2011年批準可發(fā)射，目前計劃在2015年發(fā)射。據(jù)中國科技大學(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)行目標很單一，就是用來試驗量子通信的相關(guān)內(nèi)容。據(jù)了解，將會有專門的機構(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驗。

此外，首顆量子通訊衛(wèi)星的設(shè)計壽命也很短，只有兩三年，完成預(yù)定的實驗后可能就要墜毀?？磥?，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，就可以打造一個全球性的量子通信網(wǎng)絡(luò)。endprint