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(rèn)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(tuán)隊(duì)

　　星地間量子通信示意圖

　　ICCSZ訊    在2015年國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)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(duì)”格外引人注目。他們?cè)谥锌圃涸菏颗私▊ьI(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(jiǎng)。 他們所研究的光子，是量子的一種。

　　量子是一個(gè)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(jì)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(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全，讓“棱鏡門”等泄密事件從此作古;若制造出 100 個(gè)粒子糾纏的量子計(jì)算機(jī)，其計(jì)算速度將比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河二號(hào)”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(jìn)行星際旅行，需要的時(shí)間也僅僅是“嗖”的一下。

　　事實(shí)上，中國的量子通信技術(shù)已達(dá)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(shí)，由中國科學(xué)家自主研發(fā)的世界首顆“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”也發(fā)射在即。潘建偉在接受采訪時(shí)表示，我國正以這兩大工程構(gòu)建一個(gè)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(gè)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(lán)圖，我們還得從量子力學(xué)講起。這是一個(gè)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(yù)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(gè)小塊就是量子。如氫原子中電子的能量只能取一個(gè)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(tái)階，只能上一個(gè)臺(tái)階，而不能上半個(gè)。

　　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(shí)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(shí)的狀態(tài)。這種狀態(tài)有兩個(gè)基本原理。

　　一個(gè)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(huì)觸發(fā)機(jī)關(guān)打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會(huì)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(gè)量子的情況會(huì)是什么呢?這就是量子力學(xué)的另一個(gè)基本原理——愛因斯坦稱為“遙遠(yuǎn)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(yuǎn)，擲出來的結(jié)果始終是一樣的(當(dāng)然，愛因斯坦堅(jiān)稱“上帝不會(huì)擲骰子”)。

　　我們?cè)僖?ldquo;薛定諤貓”來解釋：整個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)粒子不論分開多遠(yuǎn)，如果對(duì)其中一個(gè)粒子作用，另一個(gè)粒子就會(huì)立即發(fā)生相應(yīng)變化，而且不受時(shí)空限制，是瞬時(shí)變化。

　　絕對(duì)不會(huì)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(gè)已經(jīng)被潘建偉團(tuán)隊(duì)研究得很成熟的應(yīng)用是量子保密通訊。

　　現(xiàn)在被認(rèn)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(gè)傳輸被認(rèn)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(hào)。潘建偉解釋說，這是因?yàn)榻?jīng)典通信的信號(hào)只有0和1，發(fā)生竊聽時(shí)，這兩種信號(hào)不會(huì)被擾動(dòng)。如兩人打電話時(shí)，他人可通過竊聽器，從通信線路中的上千萬個(gè)電子中分出一些電子，使其進(jìn)入另一根線路，從而實(shí)現(xiàn)竊聽，而通話者無法察覺。

　　量子通信則完全不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題。除了因?yàn)榱孔有盘?hào)有0、1、0+1、0-1等量子疊加態(tài)，還因?yàn)榱孔佑蛇@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(duì)任意一個(gè)未知的量子態(tài)進(jìn)行完全相同的復(fù)制的過程是不可實(shí)現(xiàn)的。也就是說，量子信號(hào)一旦被竊聽，量子疊加態(tài)就會(huì)受到擾動(dòng)，有可能“塌縮”成另一個(gè)量子態(tài)。這樣一來，通信雙方能立即察覺。

　　這個(gè)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(shí)間不逆轉(zhuǎn)，比如我們回不到過去，這個(gè)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(gè)應(yīng)用是計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的飛躍?，F(xiàn)在計(jì)算機(jī)的運(yùn)算單位比特只有0和1這兩種狀態(tài)，但量子計(jì)算機(jī)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(huì)以指數(shù)級(jí)增長來提升計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。例如，如果操縱25個(gè)量子，計(jì)算機(jī)的能力就能達(dá)到現(xiàn)有四核計(jì)算機(jī)的水平;如果操縱50個(gè)量子，現(xiàn)在世界上最快的計(jì)算機(jī)——“天河二號(hào)”的計(jì)算能力就趕不上了;如果操縱100 個(gè)量子，其計(jì)算能力可能比“天河二號(hào)”還快百億億倍。

　　這么快的運(yùn)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(jì)算可以瞬間處理監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫中60億人次的臉部圖片，并實(shí)時(shí)辨別出一個(gè)人的身份;在公共交通領(lǐng)域，量子計(jì)算能夠迅速對(duì)復(fù)雜的交通狀況進(jìn)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(jì)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(shí)現(xiàn)更高精準(zhǔn)度的天氣預(yù)報(bào)……

　　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(shí)驗(yàn)室演示走向產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用化，正朝著高速率、遠(yuǎn)距離、網(wǎng)絡(luò)化的方向快速發(fā)展。然而，要實(shí)際應(yīng)用量子通信，主要困難是長距離傳輸過程中會(huì)出現(xiàn)信號(hào)損耗。這方面，世界上現(xiàn)今一個(gè)比較公認(rèn)的路線圖是先利用光纖在城市內(nèi)構(gòu)建一個(gè)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(gè)個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)單光子的精確操縱到實(shí)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(xiàng)目獲國家發(fā)展改革委批復(fù)立項(xiàng)。根據(jù)方案，北京、上海、合肥、濟(jì)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(shí)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(gè)、濟(jì)南90多個(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)“京滬干線”將于今年開通。專家預(yù)計(jì)，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(shí)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(shí)驗(yàn)衛(wèi)星也將在今年發(fā)射。

　　量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(duì)安全的高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，通過高精度的捕獲和跟瞄系統(tǒng)，建立超遠(yuǎn)距離的量子信道，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)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(shí)驗(yàn)。如果實(shí)驗(yàn)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(jī)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(tuán)首席技術(shù)官王堅(jiān)表示，“以前我們?cè)诳茖W(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(jī)會(huì)給世界一個(gè)提問的機(jī)會(huì)。”

　　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(bào)告》，提出了歐洲量子通信的分階段發(fā)展目標(biāo)，包括實(shí)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(jí)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(dòng)量子通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究，并聯(lián)合了來自12個(gè)歐盟國家的41個(gè)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(gè)基于商業(yè)網(wǎng)絡(luò)的包含6個(gè)節(jié)點(diǎn)的量子通信網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，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(tuán)隊(duì)合作開展空間量子實(shí)驗(yàn)。

　　美國　國防部支持的“高級(jí)研究與發(fā)展活動(dòng)”計(jì)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(yuǎn)距離光纖網(wǎng)絡(luò)。國防部高級(jí)研究計(jì)劃署和洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室于2009年分別建成了兩個(gè)多節(jié)點(diǎn)量子通信互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并與空軍合作進(jìn)行了基于飛機(jī)平臺(tái)的自由空間量子通信研究。資料顯示，美國航空航天局計(jì)劃在其總部與噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室之間建立一個(gè)直線距離600公里、光纖皮長1000公里左右的包含10個(gè)骨干節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離光纖量子通信干線，并計(jì)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(bào)通信研究機(jī)構(gòu)也啟動(dòng)了一個(gè)長期支持計(jì)劃。日本國立信息通信研究院計(jì)劃在2020年實(shí)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(diǎn)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。