量子保密通信何時實現“全球通”

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　　“古人在信封上用火漆封口，一旦信件被中途拆開，就會留下泄密的痕跡。量子密鑰在量子通信中的作用就像火漆一樣，但比火漆更徹底。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。”

　　信息社會里，密碼無處不在。相比忘記密碼所造成的煩惱而言，密碼失竊有可能造成的損失則要嚴重得多。有沒有一種不被破譯的密碼，能給人類帶來可靠的安全保障呢?

　　“在不久的將來，量子保密通信將有可能走向大規模應用，成為保障未來信息社會通信安全的關鍵技術。”中國科學技術大學微尺度物質科學國家實驗室教授劉乃樂在接受《中國科學報》記者采訪時表示。

　　從“腰帶情報”到量子保密

　　公元前405年，伯羅奔尼撒戰爭末期，雅典間諜從波斯帝國帶回一條布滿雜亂無章的希臘字母的普通腰帶，當腰帶呈螺旋形纏繞在劍鞘上時，毫無規律可循的字母就變成了一段文字。這被認為是世界上最早的密碼情報。

　　2400多年來，密碼作為保護信息的手段在軍事、外交、經濟、生活等眾多領域得到了廣泛的應用，而密碼學也得以飛速發展。然而，盡管經歷了手工加密、機器編碼、計算機編碼等不斷升級的過程，密碼變得越來越復雜、越來越可靠，但迄今無論什么樣的高級密碼，都有被破解的可能。

　　那么，有沒有一種絕對安全可靠而不被破譯的密碼存在呢?“現代量子信息理論與實驗的快速發展使這一切變成可能。”劉乃樂說。

　　一般而言，保密通信可以分為“加密”、“接收”、“解密”三個過程，發送者將發送內容通過某種加密規則(密鑰)轉化為密文，接收者在接到密文后采用與加密密鑰匹配的解密密鑰對密文進行解密，得到傳輸內容。

　　量子保密通信的過程也是相同的，只不過作為加密和解密的密鑰不再是傳統的密碼，而是改用微觀粒子攜帶的量子態信息。這一看似微小的變化，卻使密鑰的安全性產生了翻天覆地的變化。

　　“古人在信封上用火漆封口，一旦信件被中途拆開，就會留下泄密的痕跡。”中科院院士、中國科大教授潘建偉打比方說，量子密鑰在量子通信中的作用就像火漆一樣，但比火漆更徹底。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。這樣，竊聽者不但竊聽不到量子通信的內容，還會暴露自己。因此，從原理上說，無論破譯者掌握了多么先進的竊聽技術、多強大的破譯能力，只要量子力學規律成立，量子保密通信就無法被破解。

　　國際競爭日趨激烈

　　1984年，IBM華生實驗室工程師本奈特和布拉薩德提出全新的通信協議，叩開量子保密通信的大門。從那以后，由于量子通信技術誘人的應用前景，西方發達國家，特別是歐盟、美國和日本均投入了大量的人力物力進行理論和實驗研究。

　　近十幾年來，量子通信的距離和速率都有了飛躍式的提升，通信距離已經超過了200公里。一些小規模的量子通信試驗網已經建成，驗證了量子通信技術網絡化的可行性，并在國家安全、金融等信息安全領域開始發揮作用。2004年奧地利銀行作為世界上首個采用量子通信的銀行，利用該技術將一張重要支票從市長處傳至銀行;2007年瑞士全國大選的選票結果傳送過程也采用了量子保密通信技術，以保證結果的絕對安全。

　　“下一步的國際競爭將更加激烈，人類將致力于將量子保密通信向更遠距離和更大規模的廣域網絡發展。”劉乃樂介紹說，歐盟提出的歐洲量子通信未來發展目標，將重點發展量子中繼和衛星量子通信，實現千公里量級的量子密鑰分發;日本國立信息通信研究院計劃到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絡;美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室過去幾年中則一直在悄悄創建一套輻射狀的量子互聯網。

　　“中國軍團”后來居上

　　在量子保密通信這場國際化競爭中，我國盡管屬于后來者，但起點高，進展快，在應用研究的多個方面已經達到了世界先進水平，其中在城域量子通信關鍵技術方面已經達到了產業化要求，產業化預備方面與歐美處于同等水平狀態。

　　在量子通信技術的網絡化研究方面，中國科大潘建偉小組于2008年建成光量子電話網，實現了“一次一密”加密方式的實時網絡通話，使得我國在實用化量子網絡通信研究方面在國際上走在了前列。美國《科學》雜志以“量子電話”為題進行了報道，并評論道：“有了這樣的演示，量子私密進入千家萬戶不會是很遙遠的未來。”2009年，中國科大郭光燦小組在安徽蕪湖建成了“量子政務網”，通過該網絡可以完成任意兩點之間的無條件安全保密通信。

　　2012年初，基于潘建偉小組的研究成果，世界上規模最大的46節點的量子通信試驗網在安徽省合肥市建成，標志著大容量的量子通信網絡技術已經取得了關鍵突破;與此同時，新華社和中國科大合作建設的金融信息量子通信驗證網在北京開通，在世界上首次實現了利用量子通信網絡對金融信息的安全傳輸。

　　潘建偉小組還在量子存儲和量子中繼器技術方面處于國際領先地位，2012年，該小組成功實現了3.2毫秒的存儲壽命及73%的讀出效率的量子存儲，為目前國際上量子存儲綜合性能指標最好的實驗結果。

　　量子衛星助力量子保密“全球通”

　　“量子保密通信技術的實際應用將分三步走：一是通過光纖實現城域量子通信網絡;二是通過量子中繼器實現城際量子通信網絡;三是通過衛星中轉實現可覆蓋全球的廣域量子通信網絡。”潘建偉認為，目前，我國量子保密通信技術在城域網上的使用已經基本成熟，已經可以推廣;城際量子通信網絡方面，連接北京和上海的千公里光纖量子通信骨干網工程“京滬干線”已經正式立項，有望在兩到三年內投入使用。

　　但要實現廣域的量子保密通信，還需要借助衛星。這主要是因為大氣對某些特定波長的光子吸收非常小，而且大氣層以外幾乎是真空，因此量子信息的攜帶者光子在外層空間傳播時幾乎沒有損耗。如果能夠在技術上實現糾纏光子在穿透整個大氣層后仍然存活并保持其糾纏特性，就有望克服光纖傳輸的弱點，將量子通信的距離大幅度提高，甚至達到覆蓋全球的范圍。

　　目前，我國廣域量子通信網絡計劃已經開始，潘建偉團隊作為國內唯一開展星—地自由空間量子通信實驗研究的團隊，牽頭組織了中科院戰略先導專項“量子科學實驗衛星”，計劃在2016年左右發射量子科學實驗衛星，在此基礎上將實現高速的星地量子通信并連接地面的城域量子通信網絡，初步構建我國廣域量子通信體系。

　　為實現這一目標，潘建偉小組多年來在自由空間(星—地)量子通信方面開展了一系列研究，并取得重要進展。2005年，在世界上第一次實現了13公里自由空間量子通信實驗，證實了星—地量子通信的可行性;2012年，在青海湖完成百公里自由空間量子態隱形傳輸與糾纏分發實驗;2013 年，在國際上首次成功實現了星地量子密鑰分發的全方位的地面驗證，為實現基于星—地量子通信的全球化量子網絡奠定了堅實的技術基礎。