出品|網(wǎng)易新聞大學(xué)
作者|鐵流
近來(lái)五年，中國(guó)在量子通訊領(lǐng)域不斷傳出好消息。
2015年，中國(guó)科技學(xué)院蘇州微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的潘建偉教授、陸朝陽(yáng)院士等，完成了關(guān)于“多自由度量子隱型傳態(tài)”的研究，這項(xiàng)成果名列當(dāng)初國(guó)際數(shù)學(xué)學(xué)領(lǐng)域十項(xiàng)重大突破榜首。
2016年2月，工商建行用量子通訊技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了上海支行電子檔案的同城加密傳輸。同年8月，我國(guó)首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”成功發(fā)射并實(shí)現(xiàn)地衛(wèi)通訊。
2017年3月，量子通訊“京滬干線”開始最后階段的貫通測(cè)試。
量子通訊究竟有何神奇之處，中國(guó)量子通訊的發(fā)展又經(jīng)歷了如何的過程？
中國(guó)發(fā)射的世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)，《》雜志封面
難以被破譯的量子通訊
傳統(tǒng)的通訊加密通常是在傳輸介質(zhì)和加密數(shù)據(jù)上做文章，而這些加密方式只是降低了破譯的難度，無(wú)論是采用先進(jìn)算法破譯，還是采用超級(jí)計(jì)算機(jī)暴力破譯，破解傳統(tǒng)通訊加密數(shù)據(jù)只是時(shí)間長(zhǎng)短的問題。
量子通訊則是借助量子比特來(lái)傳輸信息，這個(gè)技術(shù)的前提是構(gòu)建量子糾纏，依據(jù)量子熱學(xué)理論，2個(gè)處于量子糾纏態(tài)的粒子無(wú)論相距多遠(yuǎn)，都能頓時(shí)感知和影響對(duì)方的狀態(tài)，因而借助糾纏態(tài)粒子的特點(diǎn)可以傳遞信息。
量子糾纏概念圖
早已可以商用的量子秘鑰分配技術(shù)采用“一次一密”的對(duì)稱加密方法。即把每一個(gè)隨機(jī)數(shù)比特的信息編碼在單個(gè)光子的量子狀態(tài)上，之后用光纖把光子發(fā)射出去，接收方接到單光子并偵測(cè)其量子態(tài)后，把與發(fā)射端特定的合同協(xié)商生成對(duì)稱的隨機(jī)數(shù)作為秘鑰，因而對(duì)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加揭秘傳輸。
正是由于量子通訊的基本原理始于量子熱學(xué)，所以無(wú)論破譯者把握了多先進(jìn)的監(jiān)聽技術(shù)、多強(qiáng)悍的破譯能力，只要量子熱學(xué)的規(guī)律創(chuàng)立，量子通訊就難以被破解。
量子衛(wèi)星工作示意圖
“量子可信中繼”讓遠(yuǎn)距離量子通訊成為可能
量子秘鑰分配是通過單個(gè)光子的量子態(tài)傳遞的，而光子在光纖中會(huì)被吸收和散射，造成傳輸距離遭到限制。而且精典通訊釆用的訊號(hào)放大和中繼技術(shù)并不適宜量子秘鑰，因而目前量子秘鑰分配最遠(yuǎn)傳輸距離是260—300公里，所以要實(shí)現(xiàn)量子通訊滬寧干線二千公里的遠(yuǎn)距離量子秘鑰分配，就須要量子中繼站的輔助。
量子通訊中繼站分為量子中繼和可信中繼。量子中繼技術(shù)難度十分大，目前還做不到實(shí)用化。可信中繼類似于量子秘鑰接力賽，秘鑰可以在可信任中繼站之間進(jìn)行接力遞送。
量子通訊傳輸概念圖
現(xiàn)今的可信任中繼站可以不須要人員參與，并且設(shè)有自毀功能，一旦發(fā)覺問題，可以立刻停止光量子的傳送量子通訊干線，并刪掉所有“落地”到中繼站的秘鑰。
依據(jù)相關(guān)單位披露，全長(zhǎng)為兩千公里的量子通訊干線共使用32個(gè)可信中繼站，不僅前面提及的安全設(shè)計(jì)外，還把本來(lái)對(duì)每位中繼站的安全要求集中到幾個(gè)核心站點(diǎn)上，這樣一來(lái)，就使須要防御的區(qū)域從原先的整個(gè)通訊網(wǎng)路，弄成少量的幾個(gè)重點(diǎn)站點(diǎn)，從“處處設(shè)防”變成“重點(diǎn)布防”，因此急劇提高了通訊的安全性。
量子通訊滬寧干線背后，是逐步延展的中國(guó)量子通訊產(chǎn)業(yè)版圖
2008年，國(guó)外科研團(tuán)隊(duì)在揚(yáng)州實(shí)現(xiàn)了國(guó)際首個(gè)全通型量子通訊網(wǎng)路，并借助該成果為60華誕元旦閱兵關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)間建立了“量子通訊熱線”，為重要信息的安全傳送提供了保障。到2009年，中國(guó)量子通訊距離突破200公里。
城域量子網(wǎng)段
2012年，西安市建成了世界首個(gè)覆蓋整個(gè)市區(qū)的規(guī)?；?6個(gè)節(jié)點(diǎn)）量子通訊試驗(yàn)示范網(wǎng)路。2013年青島也建成了有近百個(gè)用戶單位的市區(qū)量子通訊網(wǎng)路。這種技術(shù)成果標(biāo)志著大容量城域量子通訊網(wǎng)路技術(shù)早已成熟。
2015年10月，阿里巴巴與交大國(guó)盾量子聯(lián)合發(fā)布了阿里云量子加密通訊產(chǎn)品，這是全球范圍內(nèi)首次將量子加密通訊技術(shù)與云服務(wù)結(jié)合，使量子加密技術(shù)成為了一種共享資源。
2016年末，國(guó)科控股聯(lián)合中科大創(chuàng)立了國(guó)科量子通訊網(wǎng)路公司，旨在于量子通訊網(wǎng)路建設(shè)和運(yùn)維；從基礎(chǔ)研究，到核心設(shè)備制造，到應(yīng)用產(chǎn)品研發(fā)，到網(wǎng)路建設(shè)和運(yùn)維，量子通訊的中國(guó)產(chǎn)業(yè)鏈正在產(chǎn)生。
正式啟用的量子通訊“京滬干線”連接南京、濟(jì)南、合肥、上海等城域網(wǎng)路，全長(zhǎng)2000多公里，它將成為全球首個(gè)也是距離最遠(yuǎn)的廣域光纖量子保密通訊骨干線路。作為對(duì)比，美國(guó)最長(zhǎng)的量子通訊網(wǎng)路全長(zhǎng)為307公里，挪威的500公里的量子通訊網(wǎng)路只逗留在圖紙上。
未來(lái)手機(jī)可接入量子通訊網(wǎng)路？
目前，量子通訊主要用于保護(hù)金融信息、政務(wù)信息等方面——比如交通建行把量子保密通訊技術(shù)應(yīng)用于金融企業(yè)財(cái)付通用戶的實(shí)時(shí)交易；例如網(wǎng)商建行采用量子技術(shù)在專有云上完成量子加密通訊試點(diǎn)。
隨著技術(shù)的進(jìn)步和量子通訊網(wǎng)路相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和建立，量子通訊終端設(shè)備也會(huì)應(yīng)用于尋常百姓家。
比如未來(lái)的手機(jī)可以通過聯(lián)接量子通訊終端，獲取量子秘鑰，并用之完成數(shù)據(jù)加密、認(rèn)證量子通訊干線，從而接入量子通訊網(wǎng)路。但因?yàn)樵谖⒉l段下調(diào)制和偵測(cè)量子訊號(hào)會(huì)引起極高的信息耗損，因而基于無(wú)線基站量子通訊方案可行性是不大，但利用可信量子中繼站，以及衛(wèi)星光量子通訊中繼等，可以在未來(lái)實(shí)現(xiàn)民用的量子通訊解決方案。
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編輯|李祖希