近日，我國首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星已完成總裝，將于7月?lián)駲C發(fā)射。另外，今年下半年，“京滬干線”大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)即將建成。這意味著，一個天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)已有雛形，在量子通信領(lǐng)域的技術(shù)儲備乃至產(chǎn)業(yè)化進程上，中國科研力量走在世界前列。
建設(shè)中的量子通信網(wǎng)絡(luò)并非科幻小說中的“超光速通信”或者“瞬間移動”。本質(zhì)上，中國科學(xué)家們構(gòu)建的量子通信網(wǎng)絡(luò)，就是給傳統(tǒng)通信方式加上量子密鑰，“給數(shù)據(jù)掛上一把牢不可破的鎖”。
量子保密通信“京滬干線”項目工程總師、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陳宇翱介紹，未來用戶或許能選擇提供量子密鑰服務(wù)的通信運營商、銀行、互聯(lián)網(wǎng)公司，以個人身份使用這種“無條件安全”級別的信息傳輸，而“量子衛(wèi)星”則能夠發(fā)揮中轉(zhuǎn)站的作用，幫我們實現(xiàn)更遠距離的量子保密通信，構(gòu)建天地一體化量子通信體系。
1.“鬼魅般的超距作用”
量子通信的理論來源是量子力學(xué)。20世紀早期，普朗克、海森堡等物理學(xué)家提出并豐富了量子相關(guān)理論，由此誕生了現(xiàn)代物理學(xué)的重要理論基礎(chǔ)——量子力學(xué)。
在經(jīng)典物理學(xué)中，可以用質(zhì)點的坐標和動量精確地描述量子的運動。同時知道了加速度，甚至可以預(yù)測質(zhì)點接下來任意時刻的位置和動量，從而描繪出軌跡。但在微觀物理學(xué)中，一個粒子不可能同時具有確定的位置和動量，因而也就不能用軌跡來描述粒子的運動。這即是海森堡提出的“不確定性原理”。
一開始，不少學(xué)者并不能接受該理論，愛因斯坦直言“上帝不擲骰子”。1935年，愛因斯坦（Einstein）、波多爾斯基（Podolsky）、羅森（Rosen）設(shè)計了一個思想實驗，試圖證明量子力學(xué)的錯誤。后人用他們姓氏的首字母合稱為EPR悖論。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)副研究員袁嵐峰講解了這個實驗：愛因斯坦設(shè)計了兩個相互糾纏的粒子，它們的某個性質(zhì)（如電子的自旋角動量、光子的偏振）相加等于零，而單個粒子的該性質(zhì)不確定。然后你把這兩個粒子在空間上分開很遠，然后測量粒子A的性質(zhì)，假設(shè)你測得A是“上”，若量子力學(xué)成立，那么你就立刻知道了B現(xiàn)在是“下”。
“問題是，既然A和B已經(jīng)離得非常遠了，B是怎么知道A發(fā)生了變化，然后發(fā)生相應(yīng)的變化的？愛因斯坦等認為A和B之間出現(xiàn)了‘鬼魅般的超距作用’，信息傳遞的速度超過光速，違反相對論。所以，愛因斯坦認為量子力學(xué)肯定有錯誤。”袁嵐峰解讀道。
但事實上，隨著科技的進步，1982年，法國物理學(xué)家艾斯佩特（Alain Aspect）成功完成了EPR實驗，符合量子力學(xué)的預(yù)言，微觀粒子之間的確存在著“量子糾纏”的關(guān)系。袁嵐峰介紹，該實驗結(jié)果否定的只是愛因斯坦對量子力學(xué)的理解方式，但并不違反相對論，因為這里沒有信息傳遞。
在物理學(xué)家不斷增加對量子力學(xué)認知的同時，密碼學(xué)家也意識到，利用量子的特性，人類有可能發(fā)展出一種永不陷落的安全體系。20世紀60年代末，美國哥倫比亞大學(xué)研究生斯蒂芬·威斯納（Stephen Wiesner）提出了在今天看來仍十分超前的量子貨幣概念。
量子貨幣的理論基礎(chǔ)是“海森堡不確定性原理”及其推論“不可克隆定理”。用通俗的話解釋，就是在鈔票上放置“囚禁”光子的裝置，通過檢測光子的偏振方向來驗證鈔票真?zhèn)巍？上辜{的想法過于超前，多家學(xué)術(shù)期刊拒絕了他的論文。但威斯納的大學(xué)同學(xué)，在IBM公司托馬斯·J·梅森實驗室工作的查爾斯·本內(nèi)特（Charles Bennett）很欣賞這一設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上，于1984年提出了利用光子偏振態(tài)編碼傳送密鑰信息的量子密鑰分發(fā)協(xié)議——BB84協(xié)議。自此，量子密碼開始受到學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注。
1993年，根據(jù)量子糾纏關(guān)系，本內(nèi)特等6位科學(xué)家發(fā)表題為《經(jīng)由經(jīng)典和EPR通道傳送未知量子態(tài)》的論文，正式提出量子隱形傳態(tài)的構(gòu)想。這一構(gòu)想被認為是量子通信的基礎(chǔ)。
1997年，奧地利科學(xué)家安東·蔡林格（Anton Zeilinger）在室內(nèi)首次完成了量子隱形傳態(tài)的原理性實驗驗證，成為量子信息實驗領(lǐng)域的經(jīng)典之作。中科院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉當時正在奧地利留學(xué)，跟隨導(dǎo)師蔡林格參與了整個實驗。
回國后，潘建偉在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)組建了量子信息實驗室，經(jīng)十余年耕耘，目前潘建偉團隊已成為世界范圍內(nèi)量子信息實驗領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊。
2.絕對安全的密碼體系
科幻小說《三體》中，智子能夠進行超光速即時通信，作者給出的理論依據(jù)就是量子糾纏。不少報道解讀量子通信的前景時會提及超光速通信，但實際上，這更多是一種誤讀。
在中國科學(xué)院從事量子物理研究的博士黎陽（化名）介紹，現(xiàn)有科學(xué)理論框架里，量子通信不可能突破光速。最重要的原因是，量子領(lǐng)域的各項應(yīng)用中，都有一步是用經(jīng)典信道傳輸一個經(jīng)典信息。“所謂經(jīng)典信道，就是我們傳統(tǒng)的通信方式，像電話、電郵、傳真等等。”而經(jīng)典信道的信息傳遞，仍然受到光速的限制。從事密碼學(xué)研究的北京郵電大學(xué)副教授王勵成也強調(diào)：“量子密碼通信離不開經(jīng)典通信。”
換言之，在目前的理論框架下，量子通信實際上是為現(xiàn)有的通信方式增加一把可靠的“量子鎖”，而非取而代之。“各國之所以投錢支持這項研究，主要也是看中其保密性。”黎陽說。
潘建偉在多個場合做過量子通信“無條件安全”的表述。而學(xué)界更習(xí)慣用“信息理論安全”（Information theoretic security）來形容其安全性。“信息理論安全”是指，量子通信的安全性完全是以資訊理論為基礎(chǔ)的，這種安全性要求即使攻擊者有無限的計算能力也不能破解它。
而現(xiàn)有的密碼體系，是通過增加計算復(fù)雜性來保證安全。例如應(yīng)用最廣泛的密碼算法RSA，用的是兩個非常大的質(zhì)數(shù)的乘積來建立密鑰。眾所周知，對兩個大質(zhì)數(shù)乘積進行因式分解，除暴力窮舉外并無更好方式。資料顯示，用現(xiàn)有最快的傳統(tǒng)計算機對一個500位的RSA密鑰進行窮舉破解，耗時將達到百億年——幾乎等于不可破解。
但這個安全堡壘已不再牢固，量子計算機的出現(xiàn)打破了這種安全：在傳統(tǒng)計算機中概念里，每個比特只能有2種狀態(tài)——0或1。而在量子計算機中，由于量子疊加效應(yīng)，一個量子比特可以同時擁有兩種狀態(tài)，這就意味著，N個量子比特可同時存儲和處理2的N次方個數(shù)據(jù)。
數(shù)量級的優(yōu)勢，將使得RSA密鑰在量子計算機面前變得不堪一擊。“量子計算機一旦普及，將完全改變現(xiàn)有密碼體系。”黎陽提到，屆時，無論安全系統(tǒng)、金融系統(tǒng)還是個人隱私，都必須強制升級，否則將徹底陷入混亂。
量子密碼則能夠抵御量子計算機的攻擊。“由于作為信息載體的單光子不可分割、量子狀態(tài)不可克隆，可以實現(xiàn)抵御任何竊聽的密鑰分發(fā)，進而能保證用其加密的內(nèi)容不可破譯。”潘建偉解釋稱。
3.天地一體的量子網(wǎng)絡(luò)
學(xué)界普遍認為，量子隱形傳態(tài)尚在探索階段，而量子密鑰分發(fā)卻是已經(jīng)投入實用的量子信息技術(shù)。中國預(yù)計于今年7月發(fā)射的量子科學(xué)實驗衛(wèi)星也將對量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)進行試驗。
在接受《自然》雜志采訪時，潘建偉表示，量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的第一個目標是進行衛(wèi)星和北京地面站之間的高速星地量子密鑰分發(fā)試驗。還將嘗試通過衛(wèi)星進行中繼，看是否能建立北京和維也納之間的聯(lián)系。
另外，衛(wèi)星還將進行距離達1200公里的遠距離量子糾纏試驗，并在衛(wèi)星和西藏阿里之間進行量子隱形傳態(tài)試驗。
潘建偉也提及了他星際試驗的雄心：“在未來，我們希望借助嫦娥計劃，看在地球月球之間能否實現(xiàn)量子糾纏。我們希望將量子衛(wèi)星送到地月間拉格朗日點。”
另外，接受《知識分子》采訪時，潘建偉則談到了這次衛(wèi)星試驗可能對基礎(chǔ)研究的貢獻：對量子糾纏而言，它在宏觀的距離里面，會不會有什么變化，會不會受到引力的干擾？“（通過量子科學(xué)實驗衛(wèi)星）我們就可以對物理學(xué)的一些基本問題做一些檢驗，如果做得比較好，有可能發(fā)現(xiàn)一些新的物理。”
據(jù)介紹，這次將要發(fā)射的衛(wèi)星定位于“試驗”，在軌設(shè)計壽命為兩年。之后將發(fā)射多顆衛(wèi)星，以最終組成全球量子通信網(wǎng)絡(luò)。
相較于量子衛(wèi)星的實驗性，目前來看，量子保密通信“京滬干線”的即將建成無疑更具實用性。
據(jù)介紹，“京滬干線”項目是指國家發(fā)改委立項的“京滬干線”大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)工程，從北京出發(fā)，經(jīng)濟南、合肥，到達上海，全長2000余公里，目前已經(jīng)完成了約1500公里，預(yù)計年底能正式交付使用。
在此前，潘建偉團隊在合肥、濟南建設(shè)的量子通信試驗網(wǎng)已經(jīng)投入使用。2012年底，潘建偉團隊的量子通信裝備在北京投入常態(tài)運行。“京滬干線”各節(jié)點的城域網(wǎng)應(yīng)用經(jīng)過幾年摸索，已趨成熟。
基于光纖信道的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)最大的缺陷在于通信距離過短。在公開的試驗中，量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的傳輸距離世界紀錄就是由潘建偉團隊創(chuàng)造——200公里。潘建偉在2014年接受采訪時曾說，“量子保密通信在城域網(wǎng)上的使用基本成熟，但要實現(xiàn)廣域的量子保密通信，還需要借助衛(wèi)星。”
但其中涉及的技術(shù)難關(guān)并不少，一個問題是，糾纏狀態(tài)的量子能否順利穿越大氣層并保持其糾纏特性。這也是此次衛(wèi)星試驗需要解決的問題。
4.距離民用有多遠？
根據(jù)已建成的合肥、濟南等地量子城域網(wǎng)來看，量子保密通信的主要客戶多來自對安全性有較高要求的政府、金融機構(gòu)、科研機構(gòu)，例如北京農(nóng)商銀行、山東銀監(jiān)局、安徽小貸監(jiān)管平臺等。
在國慶60周年閱兵期間，潘建偉團隊搭建的“量子通信熱線”，也被用于重要信息傳送保障。
潘建偉團隊成員、“京滬干線”項目工程總師、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陳宇翱介紹，未來用戶或許能選擇提供量子密鑰服務(wù)的通信運營商、銀行、互聯(lián)網(wǎng)公司，以個人身份使用這種“無條件安全”級別的信息傳輸。
在今年全國兩會上，潘建偉給出了10年的量子通信民用普及時間：“希望通過10年左右的努力，將來每個人在互聯(lián)網(wǎng)上進行的轉(zhuǎn)款、支付等消費行為，都能夠享受到量子通信的安全保障。”
多位行業(yè)觀察者告訴記者，量子通信的民用前景其實取決于量子計算機的發(fā)展。“不同于行業(yè)用戶，對于普通消費者來說，100%的安全和99.99%的安全其實沒有多大差別。在量子計算機發(fā)展到足以輕易攻破傳統(tǒng)加密算法前，大多數(shù)人其實不需要量子通信。”
包括潘建偉在內(nèi)的絕大多數(shù)專家估計，最樂觀情況下，量子計算機也還需10—20年時間才能實現(xiàn)實用化。
但從另一個角度說，如果量子通信技術(shù)成本降到足夠低，我們也沒有理由不接受更先進的安全保障。2015年的一次講座上，潘建偉分析了量子通信的民用前景，他提到，量子保密通信的終端機，五年間成本就從百萬元下降到一二十萬元左右，降幅近10倍。潘建偉估計，在可預(yù)見的未來，終端設(shè)備還可能降至萬元以下，進入家庭是完全可能的。（記者 王詩堃）