“墨子號”暢想：通信界“天下無賊”

　　量子通信是目前最安全的一種技術(shù)，它是以量子力學(xué)原理為基礎(chǔ)的，通過技術(shù)手段也不可能竊取破譯

　　錢童心 邱智麗

　　最快再過10~15年，網(wǎng)上銀行、手機(jī)支付、信用卡等可能就不怕被盜號了。

　　我國于16日1時40分左右成功發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”，它成功入軌后的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)必將推動量子通信的發(fā)展�！傲孔油ㄐ攀悄壳白畎踩�的一種技術(shù)，它是以量子力學(xué)原理為基礎(chǔ)的，通過技術(shù)手段也不可能竊取破譯。”中科院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心、中國科技大學(xué)上海研究院副研究員張文卓告訴《第一財經(jīng)日報》記者。

　　“墨子號”的一大任務(wù)就是要建立從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)，設(shè)置地面和衛(wèi)星之間的一個超遠(yuǎn)距離的量子通道高精度采集的協(xié)助、跟蹤和瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，進(jìn)行量子衛(wèi)星和地面站點(diǎn)之間的密鑰分配，并進(jìn)行無條件安全的量子通信實(shí)驗(yàn)。

　　在量子保密通信中，由于量子具有不可分割、不可克隆和測不準(zhǔn)的特性，所以一旦存在竊聽就必然會被發(fā)送者察覺并規(guī)避。目前金融、政務(wù)系統(tǒng)已開始使用量子通信。

　　“量子衛(wèi)星將讓中國在防御黑客方面走在世界前列。”美國《華爾街日報》16日發(fā)表評論說。

　　張文卓還向本報記者獨(dú)家透露：“未來我們計(jì)劃在中國空間站上部署量子通信技術(shù)�！�

　　領(lǐng)跑量子通信

　　“‘墨子號’的發(fā)射是一個自信‘星’！”在酒泉觀摩完整個發(fā)射過程后，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室副主任、上海賦同科技有限公司總經(jīng)理尤立星博士有些感慨。

　　在尤立星看來，國內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)盡管在量子通信技術(shù)方面起步較晚，但是發(fā)展非常之快，工作節(jié)奏和團(tuán)隊(duì)執(zhí)行能力相較國外研發(fā)團(tuán)隊(duì)都要快很多，加之國家相關(guān)部門和中科院的大力支持，使得國內(nèi)的量子通信技術(shù)走在世界前沿，“量子衛(wèi)星是量子通信技術(shù)全球化必不可少的環(huán)節(jié)�！�

　　張文卓也很激動，“雖然與其他火箭發(fā)射沒啥區(qū)別，但是這里面凝聚了團(tuán)隊(duì)里一百多人的心血。為這一刻，他們等了十多年。”

　　究竟什么是量子通信技術(shù)？在長篇科幻小說《三體》中，人類在外星人的幫助下才實(shí)現(xiàn)量子通信，讓太空飛船與地球?qū)崟r通信。但《三體》中的智子實(shí)屬作者的科幻想象，真實(shí)的量子通信并不是用來傳遞加密后的信息，而是應(yīng)用于量子密鑰分發(fā)。

　　“量子通信的核心并非改變通信或者加密方式本身，而是提供一個更加安全的密鑰傳輸方式�！庇攘⑿窍虮緢笥浾呓忉尩馈�

　　事實(shí)上，“墨子號”將分發(fā)中國和歐洲中繼站之間的量子加密的密鑰，若一切順利，可使身處不同大洲的當(dāng)事人擁有前所未有的通信安全水平。此外，“墨子號”的成功發(fā)射也意味著中國已成為首個構(gòu)建天地一體化量子保密通信和科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系的國家，由中國布局的量子通訊網(wǎng)絡(luò)即將橫跨兩個大洲，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信。

　　張文卓表示，量子通信衛(wèi)星是在不同的空間使用同一個系統(tǒng)的工作原理，利用高速相干激光將兩個不同大洲的基站進(jìn)行連接。如果此次發(fā)射的中國量子通信衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)成功，那么“墨子號”將是人類歷史上的首創(chuàng)，也是世界上第一個實(shí)現(xiàn)跨大陸量子密鑰分配的網(wǎng)絡(luò)。

　　“僅僅發(fā)射一顆衛(wèi)星是不夠的，只有形成星座才能建構(gòu)起網(wǎng)絡(luò)，未來肯定還要發(fā)很多顆衛(wèi)星�！睆埼淖空f。

　　“墨子號”將進(jìn)行3個月左右的在軌測試，然后轉(zhuǎn)入在軌運(yùn)行階段。其間將開展三大類實(shí)驗(yàn)。第一類是進(jìn)行衛(wèi)星和地面之間的量子密鑰分發(fā)，實(shí)現(xiàn)天地之間的安全通信，如果4個地面站任何兩兩之間都可以實(shí)現(xiàn)安全的通訊，即可實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)；第二類相當(dāng)于把量子實(shí)驗(yàn)室搬到太空，在空間尺度檢驗(yàn)量子理論；第三類是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面千公里量級的量子態(tài)隱形傳輸。

　　“首批研究數(shù)據(jù)有望在今年年底前采集完畢�！睆埼淖空f，“第一顆衛(wèi)星很重要，將會證明我們的研究方向是否可行，比如量子密鑰的生成只有達(dá)到一定的速度才有實(shí)際應(yīng)用價值�！�

　　無條件保密

　　通常而言，信息的加密需要使用一連串?dāng)?shù)字組成的密鑰確保安全，但在傳輸過程中若被竊聽就可能被破譯。而量子密鑰具有不可克隆的特質(zhì)，基于量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理，如果密鑰在傳輸過程中遭遇竊聽，收發(fā)雙方就會知道，從而放棄使用不安全的密鑰。

　　目前在中國、歐洲和美國，基于光纖的量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用，量子力學(xué)通信理論上就是用來替代現(xiàn)代的光纖通信，進(jìn)一步提高安全性。

　　“就量子信息產(chǎn)業(yè)研究而言，量子通信在地面已經(jīng)做過很多次實(shí)驗(yàn)，相對比較成熟，但在太空中實(shí)現(xiàn)量子通信很少，難點(diǎn)在于要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的跟蹤和瞄準(zhǔn)并克服大氣擾動�！庇攘⑿潜硎�。

　　張文卓表示，量子通信中的信號傳播載體都是單個的光子，不能被放大，在大氣或光纖中傳播，光信號會衰減。傳輸?shù)?00多公里的時候，信號就基本衰竭，所以量子通信的距離受到很大限制，要想傳得更遠(yuǎn)，就需要不斷建立中繼站。而發(fā)射量子衛(wèi)星，光信號僅通過10公里左右的大氣層，信號衰減很少，可以將通信范圍擴(kuò)展到全球的距離。

　　簡單來說，量子衛(wèi)星起到了一個“配鑰匙”的作用。量子衛(wèi)星將量子密鑰發(fā)送給兩個地面站，再通過對比，建立最終的絕對安全的量子密鑰。擁有相同量子密鑰的兩個地面站，可以把使用量子密鑰加密的信息，通過郵件、物聯(lián)網(wǎng)和無線電話等傳統(tǒng)的方式傳遞，而不用擔(dān)心信息會泄露。

　　量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士介紹稱：“量子通信的安全性所基于的是量子物理基本原理——單光子的不可分割性和量子態(tài)的不可復(fù)制性所保證的信息不可竊聽和不可破解。從原理上確保身份認(rèn)證、傳輸加密以及數(shù)字簽名等無條件安全，可以從根本上永久性解決信息安全問題�！�

　　不過，張文卓表示：“目前量子通信安全技術(shù)還只能用于光通信，光纖等‘主干道’上的傳輸可以進(jìn)行保密，手機(jī)的量子密碼技術(shù)還沒有開發(fā)出來，對于無線通信、WiFi技術(shù)尚不可用�！�

　　他還透露：“‘京滬干線’大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)工程計(jì)劃于今年下半年交付�！�

　　“量子通信未來的實(shí)際應(yīng)用涉及銀行間金融數(shù)據(jù)傳遞的安全性、軍方保密視頻會議等方方面面，只要現(xiàn)在通信用得到的地方就都能夠用量子技術(shù)進(jìn)行保密�！惫�安部第三研究所副研究員唐前進(jìn)向本報記者表示。

　　“量子互聯(lián)網(wǎng)”有多遠(yuǎn)

　　中國的量子空間衛(wèi)星將為全球量子通信系統(tǒng)提供一個試驗(yàn)臺，這也使得此次發(fā)射受到全世界的矚目�！爸袊�在基礎(chǔ)量子實(shí)驗(yàn)及其應(yīng)用領(lǐng)域都做得非常出色。在下一次量子革命中，中國無疑是一個主要參與者。”維也納大學(xué)物理學(xué)教授塞林格（AntonZeilinger）表示。

　　“墨子號”的發(fā)射讓“量子互聯(lián)網(wǎng)”的未來充滿希望�！叭绻�此次量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星上的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌颢@得成功，那么它肯定會為最終的‘量子互聯(lián)網(wǎng)’打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)�！敝Z貝爾物理學(xué)獎得主、美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校物理學(xué)教授萊格特（AnthonyJ.Leggett）表示。

　　據(jù)潘建偉介紹，中國力爭到2030年左右率先建成全球化的廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，并在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建信息充分安全的“量子互聯(lián)網(wǎng)”。

　　“量子互聯(lián)網(wǎng)”是一種基于量子力學(xué)原理建立起來的新型互聯(lián)網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)絕對安全的網(wǎng)絡(luò)通信。在此基礎(chǔ)之上，量子手機(jī)、量子簽章、量子測量儀的概念也開始出現(xiàn)。

　　未來出現(xiàn)的場景可能是在手機(jī)中植入量子加密芯片，用來接收并存儲密鑰。人們只需要將手機(jī)和量子密鑰分發(fā)機(jī)連接，就能夠?qū)崿F(xiàn)保密通信�！斑@還有待網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的改造及通信標(biāo)準(zhǔn)的制定，預(yù)計(jì)未來10~15年內(nèi)有望實(shí)現(xiàn)。”張文卓表示。

　　不過，“量子互聯(lián)網(wǎng)”是否將成為未來全球通信的潮流，并進(jìn)入大眾生活，仍需考慮成本問題。

　　在尤立星看來，“墨子號”的發(fā)射更多是全球化量子通信科學(xué)實(shí)驗(yàn)可行性的驗(yàn)證，離實(shí)用仍有一段距離，“量子通信已經(jīng)是量子信息技術(shù)中最接近實(shí)用化的了，但成本依舊高昂，目前量子手機(jī)等應(yīng)用大多是概念炒作�！�