量子通信 與“棱鏡門”再見

　　本報(bào)記者 徐瑞哲

　　“棱鏡門”一出，從國家元首到平民百姓人人自危，深感信息安全像窗戶紙一樣，似乎再保密的通話都會(huì)被情報(bào)人員監(jiān)聽。的確，基于電子方式的通信，基于數(shù)學(xué)方法的密碼，已經(jīng)無法保證不被破解。

　　從電子通信到量子通信，一場通信技術(shù)革命正在競爭中觸發(fā)。我國量子通信衛(wèi)星目前正在上海等地進(jìn)行緊張的工程研制，有望在兩年之內(nèi)上天，在衛(wèi)星與地面之間收發(fā)不可截獲的“密電”。

　　從理論上講，神奇的量子通信是超高效率和絕對安全的。

　　無法克隆的量子糾纏

　　先科普一下。簡單地說，量子是微觀物理世界中的基本單位，一個(gè)最最小的單元。比如量子力學(xué)，就是用來描述各種微觀粒子之間的力學(xué)關(guān)系和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的。它完全不同于中學(xué)物理教科書上的經(jīng)典牛頓力學(xué)。

　　早在1927年，德國科學(xué)家海森伯就提出了量子不可測的原理。在現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)知中，幾乎任何已知事物都是可測的，但至少量子是個(gè)例外。

　　像造幣一樣，制作硬幣的基本前提是測定模板、再行復(fù)制。想象一下，在量子世界中，有一枚不停旋轉(zhuǎn)的“量子骰子”，6個(gè)面交替出現(xiàn)。要復(fù)制它，必然先要測量它的尺寸，而這種測量行為就會(huì)改變它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。換句話說，量子一旦被測量，還來不及被復(fù)制，它就不是原來那個(gè)量子了。

　　在通信中，對方的話通過電話等有線無線終端，遠(yuǎn)距離傳送到你的耳朵里。如果他人要竊聽你們的對話，必須完成這個(gè)對話的復(fù)制過程。而如果這段通話被加密，也必須先復(fù)制到密碼，再解密為正常通話。

　　那么，一旦通信中的信息和密碼用量子來承載，就是不可克隆的。

　　其實(shí)，量子通信擁有一道“雙保險(xiǎn)”，除了不可復(fù)制，還有量子糾纏現(xiàn)象。即兩個(gè)共同來源的微觀粒子，不論它們分開多遠(yuǎn)，一旦其中一個(gè)粒子發(fā)生變化，就立即影響到另一個(gè)粒子，似乎它們像一對孿生兒，彼此存在“心靈感應(yīng)”。

　　為了這種 “幽靈般的超距作用”，兩位科學(xué)大師愛因斯坦和玻爾發(fā)生了 “關(guān)于物理學(xué)靈魂的論戰(zhàn)”。后來，物理學(xué)家貝爾等人用實(shí)驗(yàn)證明，量子糾纏確實(shí)存在，而且某些量子效應(yīng)可能以超光速行進(jìn)。

　　這種不可克隆的量子糾纏，正好是量子通信所需要的。中科院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)項(xiàng)目——量子衛(wèi)星工程常務(wù)副總師兼衛(wèi)星總指揮、中科院上海技術(shù)物理所王建宇研究員介紹，作為全新通信概念的量子衛(wèi)星通信，是以構(gòu)成光線的光子為單元，通過收發(fā)一連串的光子，進(jìn)行星地之間的量子密鑰分發(fā)。比如，100個(gè)光子形成一串密碼，由A發(fā)給B，A發(fā)出一個(gè)，B就收一個(gè)，兩者間建立唯一的對應(yīng)關(guān)系，第三者無法從中截獲。

　　量子通信地面試驗(yàn)告成

　　要想與“棱鏡門”這樣的事件說再見，除了外交努力之外，最有效的“硬功夫”就是改變整套通信體制，盡快啟用密級最高的量子通信，率先確保國家利益不受損，進(jìn)而進(jìn)入廣闊的商用、民用領(lǐng)域。

　　自1993年 IBM 公司提出量子通信理論以來，各主要發(fā)達(dá)國家都將量子通信研發(fā)和應(yīng)用列為優(yōu)先級戰(zhàn)略。我國在量子通信領(lǐng)域并不后發(fā)，與世界同步，甚至具有一定領(lǐng)先優(yōu)勢。

　　據(jù)《科學(xué)》雜志報(bào)道，最近5年間，我國借助3節(jié)點(diǎn)鏈狀光量子電話網(wǎng)，建成了世界上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，首次實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)語音量子保密通信。這一成果在同類產(chǎn)品中處于國際先進(jìn)水平，標(biāo)志著中國在城域量子網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)方面達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化要求。

　　大眾熟知的光纖就是光通信，也可發(fā)展為量子通信。盡管基于光纖的量子通信研究成果已越來越接近實(shí)用，甚至可以預(yù)見未來幾年光纖量子通訊系統(tǒng)就可投入實(shí)際的保密通信中，但由于地球表面的曲率影響和光纖傳輸損耗的增加，在地面實(shí)施遠(yuǎn)距離量子通信非常困難。光纖中的光子衰減，使得處于量子糾纏態(tài)的兩點(diǎn)之間距離，最多只有100公里左右。

　　因此，超遠(yuǎn)距離乃至星地量子通信的基礎(chǔ)檢驗(yàn)，成為國際上量子研究焦點(diǎn)之一。為此，在中國科技大學(xué)潘建偉院士和王建宇研究員的主持下，中國科技大學(xué)、中科院上海技物所、中科院光電所、上海微小衛(wèi)星工程中心和中科院上海光機(jī)所等組成了聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，仿真計(jì)算出星地量子通信鏈路，并根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計(jì)了一系列地面工程驗(yàn)證試驗(yàn)，研制了用于星地量子通信的樣機(jī)。

　　其中的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，在不同載體上進(jìn)行——如收發(fā)距離40公里的轉(zhuǎn)臺實(shí)驗(yàn)，與衛(wèi)星繞地運(yùn)行的角速度保持一致；又如30公里距離的車載高速運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，考驗(yàn)超遠(yuǎn)距離“移動(dòng)瞄靶”能力；再如熱氣球浮空平臺，在空地環(huán)境下模擬了量子密鑰分發(fā)。另外，科研人員還在青海湖實(shí)現(xiàn)了97公里超遠(yuǎn)距離自由空間量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。這一系列實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了星地量子通信的可行性，相關(guān)論文去年在《自然·光子學(xué)》雜志上發(fā)表。

　　主導(dǎo)量子衛(wèi)星后年升空

　　有了量子衛(wèi)星，全球任意點(diǎn)對點(diǎn)的量子通信就可如接力跑般完成，而且是以光速計(jì)的。

　　目前，多國均在開展量子通信衛(wèi)星平臺研發(fā)，中科院也已開始實(shí)施量子科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃。據(jù)悉，現(xiàn)計(jì)劃在2016年左右，以我國為主導(dǎo)發(fā)射一顆量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。這也是中科院相關(guān)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)中首批確定的5顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星之一。

　　事實(shí)上，2008年起，王建宇就與量子衛(wèi)星工程首席科學(xué)家潘建偉院士合作，從事自由空間量子激光通信研究。經(jīng)過星地量子通信聯(lián)合團(tuán)隊(duì)多年攻關(guān)，中科院知識創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目 “空間尺度量子實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)”通過驗(yàn)收，為日后星地量子通信的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，為未來全球量子通信網(wǎng)絡(luò)打下了基礎(chǔ)，也標(biāo)志著我國在這一研究領(lǐng)域保持了國際領(lǐng)先地位。

　　據(jù)王建宇研究員介紹，我國量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星將裝載我國自主研發(fā)的星地量子通信設(shè)備。比如，這種星載量子通信機(jī)能產(chǎn)生光子，同時(shí)“發(fā)光子”，與之對接的地面系統(tǒng)則負(fù)責(zé)“接光子”，這種“發(fā)球、接球”需要超高精度地瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤，仿佛在空間尺度下、在穿越大氣層后“針尖對麥芒”。

　　這顆中國量子衛(wèi)星將建立我國幅員之間乃至國際上其他站點(diǎn)之間的量子通信網(wǎng)絡(luò)，它也可能是全球首顆量子通信衛(wèi)星。國際權(quán)威學(xué)刊《自然》周刊對中國人取得的進(jìn)展作出評論：“中國在量子通信領(lǐng)域內(nèi)，已從十年前不起眼的國家，發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，并將領(lǐng)先于歐洲和北美。 ”

　　“天知地知你知我知”。這意味著，中國將有能力最先與任何“棱鏡門”告別，讓偵聽者無從測得量子通信中的全部信息并復(fù)制下來，而且一旦實(shí)施偵聽，就無法掩蓋這一行為。