量子通信，我的“魔法”你不懂

高峰

公元前405年，雅典和斯巴達(dá)之間的伯羅奔尼撒戰(zhàn)爭末期，斯巴達(dá)軍隊抓住了一名雅典信使，他身上有一條寫滿雜亂無章的希臘字母的腰帶。當(dāng)這條腰帶呈螺旋形纏繞在一根特定直徑的木棍上時，這些字母竟然神奇地組成了一段可讀的文字。這便是世界上最早的密碼情報。

2000多年來，密碼成為人們保護(hù)信息的主要手段。最初的木棍，也經(jīng)歷了人工加密、機(jī)器編碼、計算機(jī)編碼等技術(shù)的升級換代。然而，既然有人創(chuàng)造出密碼，就有人挖空心思地想要破解密碼。當(dāng)“棱鏡門”“蘋果門”等信息安全事件接連上演時。人們不禁在問：有沒有一種絕對不被破譯、信息絕對安全的通信方式？

答案就是量子通信，這是迄今為止唯一被嚴(yán)格證明是無條件安全的通信方式。10余年來，在量子物理研究領(lǐng)域，中國科學(xué)家取得了多項引領(lǐng)國際的重大前沿突破，量子通信更成為中國為數(shù)不多的具有世界領(lǐng)先水平的尖端技術(shù)。如今，中國正在北京與上海之間加緊建設(shè)世界最長量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)工程——“京滬干線”，并實施戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”工程。

量子如何保證我們的信息安全？量子通信究竟有多神奇呢？下面就讓我們一起來揭開量子通信的神秘面紗。

一封神奇的“魔法信”

量子，是微觀物理世界中的最小單位。聽起來很神秘，它卻無時無刻不在我們身邊，比如常見的光，就是由大量的光量子組成。在物理學(xué)中常用到量子的概念，指一個不可分割的基本個體，例如“光的量子”（光子）是光的單位。在現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)知中，幾乎任何已知事物都是可測的，即物質(zhì)的狀態(tài)是確定的；而在量子的世界里，某些物質(zhì)則可以同時處于多個可能的狀態(tài)。

我們來想象一下，在微觀領(lǐng)域里，量子像一粒骰子，在不停旋轉(zhuǎn)中，各個面都可能朝上。只有在被觀測或者測量時，它才會停下來，隨機(jī)呈現(xiàn)出一個朝上的面。但是，這種測量本身意味著干涉，意味著原先的狀態(tài)遭到破壞而發(fā)生改變。換個角度說，量子一旦被測量過，就不再是原來的那個量子了。

就是基于這一原理，不同于現(xiàn)有電子通信普遍采用的數(shù)學(xué)計算產(chǎn)生密鑰，科學(xué)家們運(yùn)用具有量子態(tài)的物質(zhì)作為量子通信的密碼。這一看似微小的變化，使密鑰的安全性發(fā)生了徹底變化。量子密鑰是將數(shù)字密鑰儲存在特殊的量子信息中，并在量子通信線路中傳輸。當(dāng)量子信息被竊聽后，就會產(chǎn)生無法還原的痕跡，科學(xué)家正是利用量子的不可復(fù)制性達(dá)到保密通信的目的。

我們可以這樣設(shè)想一下，如果一個偷聽者想在某一個地方偷聽信息，或者將該信息內(nèi)容復(fù)制下來，這就是一種測量行為，這種測量對量子體系來說意味著對整個體系的破壞，其結(jié)果是被測量的信息將全部消失。打比方說，量子密鑰在量子通信中的作用比古代人用火漆封信更徹底——一旦有人試圖打開信件，量子密鑰會讓信件自毀，并讓使用者知曉。這就像是魔法小說中的魔法信，真神奇！

而要將這種密鑰傳遞出去，科學(xué)家還用到了量子理論的另一特性——量子糾纏效應(yīng)。糾纏，是一種被愛因斯坦稱為“幽靈般的超距離作用”的量子相互關(guān)聯(lián)現(xiàn)象：有共同來源的兩個微觀量子，即便它們隔著一個太陽系，只要一個量子發(fā)生變化，另一個量子就會立刻發(fā)生相應(yīng)變化，就像一對彼此存在“心靈感應(yīng)”的孿生兒一樣。兩個量子間的傳遞速度至少是光速的1萬倍，時延幾乎為零，從而實現(xiàn)了最快通信。

與現(xiàn)代通信手段不同，只要制造并操控好這對相互糾纏的量子，這種絕對安全、超光速且不存在任何電磁輻射污染的量子通信就能夠?qū)崿F(xiàn)。而且，量子通信還能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，有科學(xué)實驗證實，甚至可以用來進(jìn)行星際聯(lián)絡(luò)。

中國量子通信技術(shù)走在世界前列

從1993年美國科學(xué)家提出量子通信的概念至今，西方發(fā)達(dá)國家投入了大量人力、物力進(jìn)行量子通信的理論和實驗研究，單光子探測器、量子密鑰分發(fā)產(chǎn)品、糾纏源等產(chǎn)品研制大步邁進(jìn)，量子通信的距離和速率等都有了飛躍式提升。

在這場國際化競爭中，我國盡管屬于后來者，但起點(diǎn)高、進(jìn)展快，在應(yīng)用研究的多個方面已經(jīng)領(lǐng)跑世界，其中在城域量子通信關(guān)鍵技術(shù)方面已達(dá)到產(chǎn)業(yè)化要求，產(chǎn)業(yè)化預(yù)備與歐美處于同等水平。

2D04年以來，在對量子信息處理的核心資源——多量子糾纏的制備與操縱方面，我國數(shù)次創(chuàng)造了糾纏數(shù)目的世界紀(jì)錄。這種對核心資源的處理能力，讓我國在量子通信實際應(yīng)用方面走得更快。2014年11月，我國成功將量子保密傳輸?shù)陌踩嚯x擴(kuò)至200千米，創(chuàng)下新的世界紀(jì)錄。

早在2008年，我國就建成光量子電話網(wǎng)，實現(xiàn)了“一次一密”加密方式的實時網(wǎng)絡(luò)通話。世界上規(guī)模最大的46節(jié)點(diǎn)的量子通信試驗網(wǎng)，則于2012年在安徽省合肥市建成投用，通信準(zhǔn)確率達(dá)到了99.6%，這標(biāo)志著我國在大容量的量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面已經(jīng)取得了關(guān)鍵突破。

《自然》雜志曾評論稱：“在量子通信領(lǐng)域，中國用了不到10年時間，從一個不起眼的國家發(fā)展成為現(xiàn)在的世界勁旅。”

量子通信的應(yīng)用前景有多廣？

科學(xué)家預(yù)計，作為保障未來信息社會通信安全的關(guān)鍵技術(shù)，未來10年內(nèi)，量子保密通信有望實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，在電子政務(wù)、電子商務(wù)、電子醫(yī)療、國防軍事、生物特征傳輸和智能傳輸系統(tǒng)等領(lǐng)域大顯身手。當(dāng)然，這還需要在產(chǎn)業(yè)化和量子通信網(wǎng)絡(luò)方面實現(xiàn)進(jìn)一步突破。

那么，這種產(chǎn)業(yè)化是否意味著量子通信技術(shù)將走一條全新的路線呢寧專家認(rèn)為，量子通信極強(qiáng)的保密性是基于量子密鑰技術(shù)而實現(xiàn)的，密鑰也是基于量子的特殊性而研發(fā)的，而其他通信方面的技術(shù)與傳統(tǒng)經(jīng)典通信差異不大。從目前的實際應(yīng)用來看，將量子通信網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有電子通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合是最優(yōu)的發(fā)展戰(zhàn)略。

而在構(gòu)建廣域乃至全球范圍的量子通信網(wǎng)絡(luò)體系方面，從各國戰(zhàn)略計劃看，無論是美國政、企、校聯(lián)合展開研制的量子互聯(lián)網(wǎng)，還是歐盟聯(lián)合12成員國發(fā)展的基于量子中繼和衛(wèi)星的自由空間量子通信鏈路，亦或是日本計劃的到2040年建成極限容量、無條件安全的量子通信網(wǎng)絡(luò)，各國誓要搶占量子通信未來制高點(diǎn)的意圖已經(jīng)明朗。

按照計劃，2016年，我國將先于歐美發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，2020年實現(xiàn)亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發(fā)，2030年建成全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)。

量子衛(wèi)星將裝載我國自主研發(fā)的星地量子通信設(shè)備。它能產(chǎn)生并發(fā)送光量子，地面系統(tǒng)則負(fù)責(zé)接收。這種“發(fā)球、接球”需要解決超高精度的瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤難題，仿佛在空間尺度下、在穿越大氣層后“針尖對麥芒”。

但可以預(yù)期的是，用不了多久，人們就將徹底告別信息泄漏了。