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量子通信:信息安全“保護(hù)神”

摘要:量子通信在信息安全領(lǐng)域有著重大的應(yīng)用價(jià)值和前景,不僅可用于軍事、國(guó)防等領(lǐng)域的國(guó)家級(jí)保密通信,還可用于涉及秘密數(shù)據(jù)、票據(jù)的政府、電信、證券、保險(xiǎn)、銀行、工商、地稅、財(cái)政等領(lǐng)域和部門,而技術(shù)又相對(duì)成熟,未來(lái)應(yīng)用市場(chǎng)前景廣闊。

  ICCSZ訊    量子通信在信息安全領(lǐng)域有著重大的應(yīng)用價(jià)值和前景,不僅可用于軍事、國(guó)防等領(lǐng)域的國(guó)家級(jí)保密通信,還可用于涉及秘密數(shù)據(jù)、票據(jù)的政府、電信、證券、保險(xiǎn)、銀行、工商、地稅、財(cái)政等領(lǐng)域和部門,而技術(shù)又相對(duì)成熟,未來(lái)應(yīng)用市場(chǎng)前景廣闊。

  “量子通信在軍事通信、政府保密通信、民用通信上都將帶來(lái)顛覆性的變革,技術(shù)又已相對(duì)成熟,經(jīng)我們?cè)敿?xì)測(cè)算,未來(lái)市場(chǎng)空間遠(yuǎn)超千億元。”國(guó)內(nèi)最早發(fā)表量子通信領(lǐng)域證券研究報(bào)告的分析師之一、興業(yè)證券通信團(tuán)隊(duì)首席分析師唐海清指出。

  6月3日,國(guó)家發(fā)改委發(fā)布《長(zhǎng)江三角洲城市群發(fā)展規(guī)劃》提出,將積極建設(shè)“京滬干線”量子通信工程,推動(dòng)量子通信技術(shù)在上海、合肥、蕪湖等城市使用。更引入注目的是,文件明確提出:“促進(jìn)量子通信技術(shù)在政府部門、軍隊(duì)和金融機(jī)構(gòu)等應(yīng)用。”這被認(rèn)為是政府首次明確推動(dòng)量子通信技術(shù)進(jìn)入政府、軍隊(duì)、金融機(jī)構(gòu)。比如一些銀行系統(tǒng),在客戶的征信信息、個(gè)人用戶信息的傳輸上也會(huì)通過(guò)量子,確保信息不被竊取。

  按照國(guó)家發(fā)改委此前立項(xiàng)規(guī)劃,2016年下半年,全球最長(zhǎng)的遠(yuǎn)距離量子加密通信干線“京滬干線大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)”將完工交付。同時(shí),7月中國(guó)將發(fā)射量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星,推動(dòng)無(wú)光纖的空中量子通信

  量子理論被認(rèn)為是繼牛頓經(jīng)典力學(xué)后,人類科學(xué)的顛覆性發(fā)現(xiàn)。日前,記者在上海紐約大學(xué)舉行的“原子、分子和光物理前沿發(fā)展國(guó)際研討會(huì)”上專訪數(shù)位量子物理國(guó)際頂尖科學(xué)家,發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)民眾對(duì)量子通信存在不少誤解,而中國(guó)在量子通信領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用正走在世界前列。

  如何進(jìn)行信息傳遞

  下個(gè)月,我國(guó)將發(fā)射世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星,并在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信,構(gòu)建一個(gè)天地一體化的量子保密通信與科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系。

  而今年9月,量子通信的核心環(huán)節(jié):密鑰傳輸實(shí)驗(yàn),將搭乘“天宮二號(hào)”上天展開實(shí)驗(yàn)。這意味著世界上第一封絕對(duì)不會(huì)被攔截、被破解、被復(fù)制,只能是“天知地知,你知我知”的密信,即將誕生。

  那么,量子通信的原理是什么,如何實(shí)現(xiàn)信息的傳遞和加密?

  量子通信,即利用量子糾纏效應(yīng),來(lái)傳遞信息。什么是量子糾纏?通俗地說(shuō),就像心電感應(yīng)。量子力學(xué)研究發(fā)現(xiàn),宇宙中任何一個(gè)粒子都有“雙胞胎”,二者即使隔開整個(gè)宇宙的距離,也仍然一直保持同步同時(shí)同樣變化,就像其中一個(gè)翻掌,宇宙另一頭也同時(shí)翻掌。這就像一對(duì)戀人,一個(gè)人心里對(duì)另一個(gè)人說(shuō)“我愛(ài)你”,另一個(gè)人立即同步有相同感受地說(shuō)“我愛(ài)你”。這一對(duì)粒子同步同樣變化的狀態(tài),就是量子糾纏態(tài)。

  利用這一原理,人們可以制備出一對(duì)糾纏粒子,把它們一個(gè)放在北京,一個(gè)放在上海,當(dāng)北京的粒子一動(dòng),上海的粒子立刻就接收到信息。這就是量子通信

  目前當(dāng)我們討論“量子通信”,主要包含兩層應(yīng)用方向:一是用量子技術(shù)取代目前技術(shù)(光纜)來(lái)傳遞信息;二是仍用目前技術(shù)傳遞信息,但信息加密的秘鑰用量子原理來(lái)分配、傳遞秘鑰。

  其中第一種完全用量子技術(shù)來(lái)傳遞信息,就不像目前技術(shù)需要鋪設(shè)有形的光纜,而是無(wú)形地在空中傳輸,這就是國(guó)際常稱的free space communication(空中量子通信)、國(guó)內(nèi)所稱的量子隱形傳送。

  但目前的空中量子通信仍有關(guān)鍵技術(shù)難題未解,短期內(nèi)未有實(shí)際投入使用的項(xiàng)目。那2016年下半年將交付的京滬干線量子通信網(wǎng)絡(luò),是指什么?

  它的全稱是“京滬干線大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)”,顧名思義,它仍然需要鋪設(shè)光纜,通過(guò)有形的光纖傳送信息,這就是國(guó)際常稱的“classical transmission(傳統(tǒng)傳輸方法)”。

  但它對(duì)信息的保密是利用量子技術(shù),即上述兩大應(yīng)用方向中的第二種:利用量子原理分配秘鑰。這也是目前全球量子技術(shù)中,最接近實(shí)際應(yīng)用的研究領(lǐng)域。中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)潘建偉說(shuō),“京滬干線”項(xiàng)目主要針對(duì)量子保密通信關(guān)鍵技術(shù)。

  “京滬干線”年底建成

  中國(guó)目前主攻量子保密通信技術(shù),目前在建的主要是兩個(gè)項(xiàng)目:一是“京滬干線”,二是7月將發(fā)射的量子通信衛(wèi)星。

  京滬干線大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng),將是目前全球總長(zhǎng)度最長(zhǎng)的量子保密通信干線,其長(zhǎng)度達(dá)2000余公里,從北京出發(fā),經(jīng)過(guò)濟(jì)南、合肥,到達(dá)上海。它是世界首例千公里級(jí)高可信、可擴(kuò)展的廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò),2013年由國(guó)家發(fā)改委立項(xiàng),預(yù)計(jì)2016年9月底完成全部應(yīng)用系統(tǒng)交付,并開始全系統(tǒng)上線聯(lián)調(diào),年底完成項(xiàng)目總驗(yàn)收。

  全球量子通信的公認(rèn)專家、德國(guó)美因茨大學(xué)物理學(xué)教授Peter Van Loock告訴《國(guó)際金融報(bào)》記者,若金融機(jī)構(gòu)、軍隊(duì)、政府確實(shí)需要在上海與北京之間傳送絕密信息,量子保密干線是最好的保密方案。潘建偉說(shuō),該干線可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程高清量子保密視頻會(huì)議系統(tǒng)和其他多媒體跨域互聯(lián)應(yīng)用,也可以實(shí)現(xiàn)金融、政務(wù)領(lǐng)域的遠(yuǎn)程或同城數(shù)據(jù)災(zāi)備系統(tǒng)、金融機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等應(yīng)用。

  量子保密技術(shù)被普遍認(rèn)為是“理論上百分百不可破譯截獲”、“百分百安全”,主要基于兩個(gè)原理:海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理和量子不可復(fù)制原理。

  三位不愿具名的中國(guó)科學(xué)家告訴記者,量子密碼通信傳遞的不是信息本身,而是傳遞密鑰,甲發(fā)送確定狀態(tài)的光子,乙采用收發(fā)器接收,而后甲乙互相對(duì)應(yīng)光子狀態(tài),一旦發(fā)現(xiàn)光子狀態(tài)改變,即可確認(rèn)被竊聽(tīng)。

  但最大的難題是:光子會(huì)丟失。光子發(fā)射一段距離后就會(huì)衰減,若沒(méi)有中間站“在路上幫它調(diào)整狀態(tài)”,它就無(wú)法完成從北京到上海的穿越。

  因此,量子通信要解決的兩個(gè)基本問(wèn)題就是:讓光子保持量子糾纏狀態(tài)的距離變得更長(zhǎng)、讓光子傳輸?shù)乃俣雀?。在同等技術(shù)條件下,中間基站(或稱“節(jié)點(diǎn)”)的質(zhì)量非常關(guān)鍵。

  截至3月,京滬干線已建設(shè)完成15個(gè)中間基站、1554千米主干線路光纜勘查和改造。其中,北京城域量子網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)完成了部署和測(cè)試驗(yàn)收,全天候24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行,系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間已超過(guò)5000小時(shí)。目前正進(jìn)行上海接入網(wǎng)的施工建設(shè)和主干線二期的建設(shè)工作。

  數(shù)位科學(xué)家告訴記者,理論上,即使是量子計(jì)算機(jī),也不可能破譯量子秘鑰,然而實(shí)際應(yīng)用中,仍有許多因素可能導(dǎo)致秘鑰泄露。尤其是中間基站,需要先接收,再發(fā)送,容易存在被截獲的漏洞。

  中國(guó)實(shí)際應(yīng)用居前列

  記者通過(guò)采訪發(fā)現(xiàn),歐洲主攻傳輸中的中轉(zhuǎn)基站技術(shù),美國(guó)主攻量子計(jì)算機(jī)的硬件,中國(guó)目前主攻長(zhǎng)距離量子加密通信??傮w而言,歐洲領(lǐng)先美國(guó),而中國(guó)在實(shí)際應(yīng)用方向走在前列。

  在量子通信領(lǐng)域,美國(guó)最新進(jìn)展是在2015年,美國(guó)航空航天局(NASA)計(jì)劃在其總部與噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)之間建立一個(gè)直線距離600千米、光纖皮長(zhǎng)1000千米左右、10個(gè)中轉(zhuǎn)基站的遠(yuǎn)距離光纖量子通信干線,并計(jì)劃拓展到星地量子通信。目前尚未有實(shí)際進(jìn)展的最新消息。

  與美國(guó)相比,中國(guó)的實(shí)際應(yīng)用明顯走在前列。今年7月,中國(guó)將發(fā)射首顆“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”,這顆衛(wèi)星將推動(dòng)實(shí)現(xiàn)無(wú)光纖的空中通信。

  該衛(wèi)星搭載量子密鑰通信機(jī)、量子糾纏發(fā)射機(jī)、量子糾纏源、量子試驗(yàn)控制與處理機(jī)等有效載荷,具備兩套獨(dú)立的有效載荷指向機(jī)構(gòu),通過(guò)姿控指向系統(tǒng)協(xié)同控制,可與地面上相距千公里量級(jí)的兩處光學(xué)站同時(shí)建立量子光鏈路。

  量子衛(wèi)星發(fā)射后,天地一體化量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將投入正式運(yùn)行,完成的多項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)包括:星地高速量子密鑰分發(fā)、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)、星地量子糾纏分發(fā)以及地星量子隱形傳態(tài)等。

  “歐洲目前主攻中轉(zhuǎn)基站的突破。”全球固體量子光學(xué)與自旋電子學(xué)領(lǐng)域公認(rèn)的專家Jorg Wrachtrup告訴記者。

  歐盟2016年4月批準(zhǔn)了10億歐元的量子研究基金。同時(shí)在2015年底推出了用于發(fā)展量子信息技術(shù)的“歐洲量子科學(xué)技術(shù)”計(jì)劃,以及《歐洲量子信息處理與通信》計(jì)劃,是繼歐洲核子中心和航天技術(shù)采取國(guó)際合作之后,又一針對(duì)重大科技問(wèn)題的大規(guī)模國(guó)際合作。

內(nèi)容來(lái)自:國(guó)際金融報(bào)
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