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量子通讯:从神话迈向实用化

2014年11月29日10:04    来源:人民网-人民日报海外版    手机看新闻
原标题:量子通讯:从神话迈向实用化

  量子通讯卫星服务示意图

  公元前405年,伯罗奔尼撒战争末期,雅典间谍从波斯帝国带回一条写满了杂乱无章的希腊字母的腰带,当他把腰带呈螺旋形缠绕在一根特定直径的木棍上时,这些字母神奇地成了一段可读的文字。这便是世界上最早的密码情报。

  两千多年来,密码成为人们保护信息的主要手段。原初的木棍,也经历了人工加密、机器编码、计算机编码等等升级换代。然而,迄今为止,没有一种密码能保证不被破解。当西方“棱镜门”、“苹果门”等信息安全事件一出接一出地上演时,从国家元首到平民百姓人人自危。人们不禁会问:有没有一种绝对不被破译,信息绝对安全的通信方式?

  日前,我国成功将量子保密传输的安全距离扩至 200 公里,创下新的世界纪录,这标志着我国已经接过现代量子理论运用的接力棒,引领着现代通信技术实现从电子通信到量子通信的革命性跨越。

  量子通信有多“神”

  量子,是微观物理世界中的最小单位。听起来很神秘,它却无时无刻不在我们身边。比如常见的光,就是由大量的光量子组成。在现代科学认知中,几乎任何已知事物都是可测的,即物质的状态是确定的;而在量子的世界里,某些物质则可以同时处于多个可能状态的叠加态。

  我们来想象一下,在微观领域里,量子像一粒骰子,处在不停的旋转中,各个面都可能朝上。只有在被观测或者测量时,它才会停下来,随机呈现出一个朝上的面。但是,这种测量本身意味着干涉,意味着原先的待测状态遭到破坏而发生改变。

  就是基于这一原理,不同于现有电子通信普遍采用的数学计算产生密钥,科学家们运用具有量子态的物质作为量子通信的密码。这一看似微小的变化,使密钥的安全性产生了彻底变化。中国科学技术大学教授郭光灿打比方说,量子密钥在量子通信中的作用比古代人用火漆封信封更彻底——一旦有人试图打开信件,量子密钥会让信件自毁,并让使用者知晓。

  而要将这种密钥传递出去,科学家还用到了量子理论的另一特性——量子纠缠效应。纠缠,是一种被爱因斯坦称为“幽灵般的超距离作用”的量子相互关联现象:有共同来源的两个微观量子,即便它们隔着一个太阳系,只要一个量子发生变化,另一个量子就会立刻发生相应变化,就像一对彼此存在“心灵感应”的孪生儿一样。根据中国科学技术大学潘建伟教授率领的团队

  所作实验,两个量子间的传递速度至少是光速的1万倍,时延几乎为零,从而实现了最快通信。

  与现代通信手段不同,只要制造,并操控好这对相互纠缠的量子,这种绝对安全、超光速的,且不存在任何电磁辐射污染的量子通信就能够实现。此外,量子通信还能实现远距离通信。有科学实验证实,量子隐态传输能够穿越大气层,进行星际联络。

  我国进展有多快

  从 1993 年美国科学家提出量子通信的概念至今,西方发达国家投入了大量人力、物力进行量子通信的理论和实验研究,单光子探测器、量子密钥分发产品、纠缠源等产品研制大步迈进,量子通信的距离和速率等都有了飞跃式提升。

  在这场国际化竞争中,我国尽管属于后来者,但起点高,进展快,在应用研究的多个方面已经领跑世界,其中在城域量子通信关键技术方面已达到产业化要求,产业化预备与欧美处于同等水平。

  2004年以来,在对量子信息处理的核心资源——多量子纠缠的制备与操纵方面,我国先后实现了5光子、6光子和8光子纠缠,数次创造了纠缠光子数目的世界纪录。

  这种对核心资源的处理能力,让我国在量子通信实际应用方面走得更快。就在两周前,中国科学技术大学教授潘建伟团队与中科院上海微系统所以及清华大学科研人员合作,成功将量子保密传输的安全距离扩至 200 公里,创下新的世界纪录。

  早在2008 年,我国就建成光量子电话网,实现了“一次一密”加密方式的实时网络通话。世界上规模最大的 46 节点的量子通信试验网,则于2012年在安徽省合肥市建成投用,通信准确率达到了99.6%,这标志着我国在大容量的量子通信网络技术方面已经取得了关键突破。去年,我国两千公里量级的城际光纤量子通信

  骨干网工程——“京沪干线”上马。

  《自然》杂志曾评论称:“在量子通信领域,中国用了不到10年时间,由一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅”。

  应用前景有多广

  专家预计,作为保障未来信息社会通信安全的关键技术,未来10年内,量子保密通信有望走向大规模应用,在电子政务、电子商务、电子医疗、国防军事、生物特征传输和智能传输系统等各领域大显身手。

  当然,这还需要其在产业化和广域量子通信网络方面实现进一步突破。

  那么,这种产业化是否意味着量子通信技术将走一条全新的路线呢?郭光灿认为,量子通信极强的保密性是基于量子密钥技术而实现的,密钥也是基于量子的特殊性而研发的,而其他通信方面的技术与传统经典通信差异不大。从目前的实际应用来看,将量子通信网络与现有电子通信网络进行融合是最优的发展战略。

  而在构建广域乃至全球范围的量子通信网络体系方面,从各国战略计划看,无论是美国政、企、校联合展开研制的量子互联网,还是欧盟联合12成员国发展的基于量子中继和卫星的自由空间量子通信链路,亦或是日本计划的到2040年建成极限容量、无条件安全的量子通信网络,各国誓要抢占量子通信未来制高点的意图已经明朗。

  按照计划,2016 年,我国将先于欧美发射全球首颗量子科学实验卫星,2020 年实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发,2030 年建成全球化量子通信网络。

  据量子卫星工程常务副总工程师兼卫星总指挥、中科院上海技术物理所王建宇研究员介绍,量子卫星将装载我国自主研发的星地量子通信设备。它能产生并发送光子,地面系统则负责接收。这种“发球、接球”需要解决超高精度的瞄准、捕获和跟踪难题,仿佛在空间尺度下、在穿越大气层后“针尖对麦芒”。

  可以预期的是,用不了多久,人们就将彻底告别信息泄漏了。当然,这不包括你主动分享的那一部分。

(责编:欧兴荣、熊旭)


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