量子保密通信發(fā)展現(xiàn)狀：中國書寫傳奇 領(lǐng)先于世界

　　被認為與量子糾纏密切相關(guān)的宇宙蟲洞想象圖

　　潘建偉(中)和他的研究團隊

　　星地間量子通信示意圖

　　ICCSZ訊    在2015年國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，一支由中國科技大學(xué)的“70后”院士、“80后”教授組成的“青春戰(zhàn)隊”格外引人注目。他們在中科院院士潘建偉帶領(lǐng)下，憑借“多光子糾纏和干涉度量學(xué)”，奮力摘得國家自然科學(xué)一等獎。 他們所研究的光子，是量子的一種。

　　量子是一個能量的最小單位，所有微觀粒子如分子、原子、電子、光子等都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)。我們看到的光，就是由數(shù)以萬億計的光量子組成的。 研究量子有什么用?用處很多，比如：利用量子糾纏，我們的通信將能實現(xiàn)絕對安全，讓“棱鏡門”等泄密事件從此作古;若制造出 100 個粒子糾纏的量子計算機，其計算速度將比目前最快的超級計算機“天河二號”還快百億億倍。更神奇的是，利用量子隱形傳態(tài)，未來人類往返世界各地，甚至進行星際旅行，需要的時間也僅僅是“嗖”的一下。

　　事實上，中國的量子通信技術(shù)已達到世界頂尖水平，領(lǐng)先歐美國家。今年，世界上第一條量子通信保密干線“京滬干線”將開通。同時，由中國科學(xué)家自主研發(fā)的世界首顆“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”也發(fā)射在即。潘建偉在接受采訪時表示，我國正以這兩大工程構(gòu)建一個天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)雛形，最終目標(biāo)是建立一個覆蓋全國甚至覆蓋全球的廣域量子保密通訊網(wǎng)絡(luò)。

　　貓如何既是死的又是活的?

　　要說清楚量子通信的宏偉藍圖，我們還得從量子力學(xué)講起。這是一個與牛頓力學(xué)等經(jīng)典力學(xué)差異很大的物理學(xué)分支，被譽為迄今為止描述微觀世界最準(zhǔn)確的理論。

　　量子是什么?通俗地解釋就是把能量等物理量一份份往下分，分到無法再分的小塊兒，這個小塊就是量子。如氫原子中電子的能量只能取一個基本值——-13.6電子伏特或者其 1/4、1/9、1/16、1/25 等，而不能取其 2 倍或 1/2、1/3。這就好比上臺階，只能上一個臺階，而不能上半個。

　　量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的根本區(qū)別在于確定性問題。與我們常識里的事物具有確定的位置相反，量子力學(xué)中的粒子狀態(tài)是不確定的，而且是一種客觀真實的狀態(tài)。這種狀態(tài)有兩個基本原理。

　　一個是量子態(tài)疊加原理。根據(jù)量子力學(xué)理論，物質(zhì)在微觀尺度上存在兩種完全相反狀態(tài)并存的奇特狀況。如何來證明這種原理呢?奧地利物理學(xué)家薛定諤在1935年提出的“薛定諤貓”佯謬提供了一種思路。

　　“薛定諤貓”佯謬假設(shè)了這樣一種情況：將一只貓關(guān)在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器里。鐳的衰變存在幾率，如果鐳發(fā)生衰變，會觸發(fā)機關(guān)打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會死;如果鐳不發(fā)生衰變，貓就存活。根據(jù)量子力學(xué)理論，由于放射性的鐳處于衰變和沒有衰變兩種狀態(tài)的疊加，貓就理應(yīng)處于死貓和活貓的疊加狀態(tài)。

　　這只既死又活的貓就是量子物理界著名的“薛定諤貓”。 如果把量子疊加原理合到多個量子的情況會是什么呢?這就是量子力學(xué)的另一個基本原理——愛因斯坦稱為“遙遠距離詭異的相互作用”的量子糾纏。就像雙胞胎心靈感應(yīng)一樣，這兩顆骰子無論相距多遠，擲出來的結(jié)果始終是一樣的(當(dāng)然，愛因斯坦堅稱“上帝不會擲骰子”)。

　　我們再以“薛定諤貓”來解釋：整個狀態(tài)現(xiàn)在處于鐳是否發(fā)生衰變和貓是死是活的疊加狀態(tài)，用一個等式來表示就是：整體狀態(tài)=鐳發(fā)生衰變而且貓死了(A)+鐳沒有發(fā)生衰變而且貓活著(B)。當(dāng)你打開容器蓋子觀看貓是不是死了的那一刻，整個狀態(tài)就被確定了，要么是A，要么是B，而且另一種狀態(tài)也跟著消失了。這就是量子的糾纏態(tài)。在量子世界中，處于糾纏態(tài)的兩個粒子不論分開多遠，如果對其中一個粒子作用，另一個粒子就會立即發(fā)生相應(yīng)變化，而且不受時空限制，是瞬時變化。

　　絕對不會被破譯的通信

　　如此神秘的量子疊加原理和量子糾纏，我們到底能拿它來做些什么呢?一個已經(jīng)被潘建偉團隊研究得很成熟的應(yīng)用是量子保密通訊。

　　現(xiàn)在被認為最安全的信息傳遞方式是光纖通訊。光纜能把所有的光能限制在光纖里，外面得不到能量，所以這個傳輸被認為是安全的。但隨著科技發(fā)展，只需讓光纜泄露哪怕很少一部分能量，我們就能夠竊聽光纜傳遞的信號。潘建偉解釋說，這是因為經(jīng)典通信的信號只有0和1，發(fā)生竊聽時，這兩種信號不會被擾動。如兩人打電話時，他人可通過竊聽器，從通信線路中的上千萬個電子中分出一些電子，使其進入另一根線路，從而實現(xiàn)竊聽，而通話者無法察覺。

　　量子通信則完全不會出現(xiàn)這個問題。除了因為量子信號有0、1、0+1、0-1等量子疊加態(tài)，還因為量子由這種疊加態(tài)而產(chǎn)生的不可克隆原理。 根據(jù)量子力學(xué)理論，對任意一個未知的量子態(tài)進行完全相同的復(fù)制的過程是不可實現(xiàn)的。也就是說，量子信號一旦被竊聽，量子疊加態(tài)就會受到擾動，有可能“塌縮”成另一個量子態(tài)。這樣一來，通信雙方能立即察覺。

　　這個方式到底有多安全呢?中科院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心成員、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院副研究員張文卓表示，“只要因果性成立，只要信息傳遞不超過光速，時間不逆轉(zhuǎn)，比如我們回不到過去，這個通信方式就是無條件安全的”。

　　當(dāng)然，量子應(yīng)用還有更大的前景。首先一個應(yīng)用是計算機運算能力的飛躍?，F(xiàn)在計算機的運算單位比特只有0和1這兩種狀態(tài)，但量子計算機中可以處在0和1的疊加狀上。如果操縱的量子數(shù)目增多，它就會以指數(shù)級增長來提升計算機的運算速度。例如，如果操縱25個量子，計算機的能力就能達到現(xiàn)有四核計算機的水平;如果操縱50個量子，現(xiàn)在世界上最快的計算機——“天河二號”的計算能力就趕不上了;如果操縱100 個量子，其計算能力可能比“天河二號”還快百億億倍。

　　這么快的運算速度，將使我們的日常生活大大改變。例如在公共安全領(lǐng)域，量子計算可以瞬間處理監(jiān)控數(shù)據(jù)庫中60億人次的臉部圖片，并實時辨別出一個人的身份;在公共交通領(lǐng)域，量子計算能夠迅速對復(fù)雜的交通狀況進行分析預(yù)判，從而調(diào)度綜合交通系統(tǒng)最大限度避免道路擁堵;在氣象預(yù)測方面，量子計算能夠?qū)x器檢測數(shù)據(jù)結(jié)合模型全面預(yù)測分析，從而實現(xiàn)更高精準(zhǔn)度的天氣預(yù)報……

　　我國量子通信邁向天地組網(wǎng)

　　目前，量子保密通信技術(shù)已經(jīng)從實驗室演示走向產(chǎn)業(yè)化和實用化，正朝著高速率、遠距離、網(wǎng)絡(luò)化的方向快速發(fā)展。然而，要實際應(yīng)用量子通信，主要困難是長距離傳輸過程中會出現(xiàn)信號損耗。這方面，世界上現(xiàn)今一個比較公認的路線圖是先利用光纖在城市內(nèi)構(gòu)建一個網(wǎng)絡(luò)，然后利用中繼連接城市間，再通過衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)實現(xiàn)遠距離的量子通訊。

　　20多年來，潘建偉等中國科學(xué)家從研制量子通信網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備、微光探測核心器件、網(wǎng)控設(shè)備等一個個產(chǎn)品做起，從幾十公里光纖量子密鑰分發(fā)轉(zhuǎn)到自由空間糾纏光子分發(fā)，從實現(xiàn)對單光子的精確操縱到實現(xiàn)四光子(2003年)、五光子(2004年)、六光子(2007 年)、八光子糾纏(2012 年)……英國《自然》雜志感嘆說，“這標(biāo)志著中國在量子通信領(lǐng)域的崛起，從十年前不起眼的國家發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美。” 正是基于這些技術(shù)積累，2013年，我國量子保密通信“京滬干線”項目獲國家發(fā)展改革委批復(fù)立項。根據(jù)方案，北京、上海、合肥、濟南都將分別建成城域量子通信網(wǎng)，一旦完成城市間線路的接通，就可以實現(xiàn)京滬間全長2025公里、4城市間網(wǎng)狀8Gbps的量子保密通信。

　　合肥示范網(wǎng)46個、濟南90多個節(jié)點已順利建成并開始測試，北京、上海城域量子通信網(wǎng)將在今年夏天前建成，整個“京滬干線”將于今年開通。專家預(yù)計，2025—2030年，覆蓋全國的量子通信網(wǎng)絡(luò)也有望建成。 另一方面，為實現(xiàn)高速星地量子通信并連接地面的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，我國首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星也將在今年發(fā)射。

　　量子科學(xué)實驗衛(wèi)星工程常務(wù)副總師、中科院上海分院副院長王建宇表示，衛(wèi)星旨在開展衛(wèi)星與地面之間絕對安全的高速量子密鑰分發(fā)實驗，通過高精度的捕獲和跟瞄系統(tǒng)，建立超遠距離的量子信道，并在此基礎(chǔ)上進行廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的演示。這將是國際上首次星地間量子通信實驗。如果實驗成功，我國有望在未來發(fā)射多顆量子通信衛(wèi)星，逐步建立覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)。

　　可以期待，在不久的將來，我們就可以享受量子通信一次一密、完全隨機帶來的巨大紅利。去年10月，阿里云與中科院旗下國盾量子聯(lián)合發(fā)布量子加密通信產(chǎn)品，這是全球首家云服務(wù)商提供量子安全傳輸產(chǎn)品落地服務(wù)。

　　阿里巴巴集團首席技術(shù)官王堅表示，“以前我們在科學(xué)技術(shù)發(fā)展方面總是處于追趕者位置，向世界去尋求答案，但這次，我們有機會給世界一個提問的機會。”

　　世界主要國家和地區(qū)量子通信戰(zhàn)略

　　歐盟于2008年發(fā)布《量子信息處理與通信戰(zhàn)略報告》，提出了歐洲量子通信的分階段發(fā)展目標(biāo)，包括實現(xiàn)地面量子通信網(wǎng)絡(luò)、星地量子通信、空地一體的千公里級量子通信網(wǎng)絡(luò)等。2008年9月，歐盟發(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(biāo)準(zhǔn)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“基于量子密碼的安全通信”工程。同年，該工程在維也納現(xiàn)場演示了一個基于商業(yè)網(wǎng)絡(luò)的包含6個節(jié)點的量子通信網(wǎng)絡(luò)。同時，歐空局正在與來自歐洲、美洲、澳大利亞和日本的多國科學(xué)家團隊合作開展空間量子實驗。

　　美國　國防部支持的“高級研究與發(fā)展活動”計劃致力于把量子通信應(yīng)用拓展到衛(wèi)星通信、城域以及遠距離光纖網(wǎng)絡(luò)。國防部高級研究計劃署和洛斯阿拉莫斯國家實驗室于2009年分別建成了兩個多節(jié)點量子通信互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并與空軍合作進行了基于飛機平臺的自由空間量子通信研究。資料顯示，美國航空航天局計劃在其總部與噴氣推進實驗室之間建立一個直線距離600公里、光纖皮長1000公里左右的包含10個骨干節(jié)點的遠距離光纖量子通信干線，并計劃拓展到星地量子通信。

　　日本　目前年投入2億美元，規(guī)劃在5至10年內(nèi)建成全國性的高速量子通信網(wǎng)。日本的國家情報通信研究機構(gòu)也啟動了一個長期支持計劃。日本國立信息通信研究院計劃在2020年實現(xiàn)量子中繼，到2040年建成極限容量、無條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網(wǎng)絡(luò)。2010年，日本東京建成了6節(jié)點城域量子通信網(wǎng)絡(luò)“Tokyo QKD Network”，在全網(wǎng)演示了視頻通話，并演示了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。