從“天地一體”到“移動組網(wǎng)”，中國量子通信產(chǎn)業(yè)是如何“煉成”的?

　　近一兩年里，隨著有關量子科技的報道越來越多地出現(xiàn)在眼前，我們恐怕再也不能僅僅停留在“遇事不決，量子力學”的認知水平了。

　　我們知道，量子科技主要包括量子計算和量子通信兩大技術領域。與處在起步階段的量子計算不同，量子通信技術早已完成了理論的驗證，已經(jīng)進入快速產(chǎn)業(yè)化應用的階段。

　　最近，我國在量子通信領域又取得了一些關鍵進展。1月初，中國科技大學宣布成功實現(xiàn)跨越4600公里的星地量子密鑰分發(fā)，這標志著我們基本構建起天地一體化廣域量子通信網(wǎng)，也證明了廣域量子保密通信技術初步具備大規(guī)模應用的成熟條件。

　　緊接著，南京大學的研究團隊成功通過兩架無人機空中編組，首次使用光學中繼，在兩個相距1千米的地面站之間實現(xiàn)糾纏光子分發(fā)，實現(xiàn)多節(jié)點移動量子組網(wǎng)。實驗的成功意味著我們在量子通信網(wǎng)絡上有了更多樣的應用場景選擇。

(以無人機為移動節(jié)點的光中繼糾纏分布實驗示意)

　　顯然，無論是廣域量子通信網(wǎng)的建成，還是移動量子網(wǎng)絡的成功實驗，對于很多人而言，只會不明覺厲。因此，如果想搞清楚以上這些量子通信技術到底有何“含金量”，又對我國的量子通信產(chǎn)業(yè)有著怎樣的影響，仍然值得我們?nèi)プ鲆环氈陆庾x。不過，在回答這兩個問題之前，首先需要先對“量子通信”本身做一下簡單介紹。

量子通信：將信息加密進行到底

　　信息通信技術在今天的重要性已經(jīng)毋庸置疑。5G，作為新一代移動通信技術，正在廣泛應用在我們的日常生活中，相比之下，量子通信還是一個非常時髦但又讓普通人不明所以的存在。

　　量子通信到底是怎么回事，對我們大眾的生活有哪些影響呢?

　　簡單來說，量子通信屬于量子信息科學的一大分支。量子信息科學，顧名思義是由量子力學和信息科學組成的交叉學科。按照信息科學中“計算”和“通信”兩大主題，量子信息科學的研究也分為“量子計算”和“量子通信”。量子通信就是利用量子力學特性進行信息傳遞的新型通信方式。

　　第一個問題，信息通信技術為啥需要跟量子力學“糾纏”在一起呢?

　　對于信息通信，特別是遠距離信息通信來說，一直要解決的兩大難題。

　　第一大難題是信息傳輸?shù)男?，包括傳輸率和準確率，這些由一系列不斷演進的技術來保證，從最初的烽火臺、到旗語，再到電報的摩爾斯電碼、有線電話、光纜通信、移動網(wǎng)絡等等。這部分我們都很熟悉，不再贅述。

　　第二個難題就是信息傳輸?shù)陌踩?，也就是信息加密通信的問題。信息加密通信的重要性，普通人可能沒有切身感受。第二次世界大戰(zhàn)期間，正是由于英國政府破解了德軍使用的一種號稱無法破譯的恩尼格碼密碼機，從而大大扭轉了二戰(zhàn)歐洲戰(zhàn)場的戰(zhàn)局，加速了德國的戰(zhàn)敗。如今，加密通信更是成為了互聯(lián)網(wǎng)、金融、軍事等幾乎所有需要信息通信的場景的基石。

　　在量子通信出現(xiàn)以前，傳統(tǒng)的加密通信只有兩種方式：

　　一種信息加密方式是“對稱密碼機制”。傳輸雙方掌握同一套密鑰，傳輸方用密鑰將明文轉換成密文，接收方用它將密文變換回原文。雙方共享的這一套密鑰或者說密碼本，如果第三方不掌握密碼本，理論上基本永遠無法破譯這套加密信息。但是密鑰會需要一個信使來進行傳遞，在抗戰(zhàn)時期，地下工作者的一個工作就是充當信使來傳遞密碼本的。這里會出現(xiàn)兩個安全問題，一個就是信使叛變，一個是密碼本被截獲，只要第三方掌握了密碼本，那么加密信息就等于是“明文”信息了。

　　為了克服這種問題，數(shù)學家發(fā)明了第二種信息加密方式——“非對稱密碼機制”，或者說“公鑰密碼機制”。只有接收方手里有一套“加密鎖”(公鑰)和“解密鑰匙”(私鑰)，接收方可以把打開的“加密鎖”公布出來，任何人，包括發(fā)送方都可以公開獲取。發(fā)送方只需要把信息用“加密鎖”鎖起來發(fā)送給接收方，接收方再用自己的“解密鑰匙”打開“加密鎖”，就能獲得信息。

　　“加密鎖”，實際上只是一道“因數(shù)分解”的數(shù)學題，是由三位名字首字母為R、S、A的數(shù)學家發(fā)明的公鑰密碼機制，現(xiàn)在也是世界上最常用的密碼體系。這套密碼機制的優(yōu)勢在于，制造密碼很簡單，破解密碼很困難。第三方竊密者想要破解一個公鑰密碼，用全世界最快的計算機去計算，少則需要數(shù)萬年，多則幾十億年。這就讓破解密碼成為一個事實上不可能的事情。

　　但是在理論上，只要計算速度夠快，RSA密碼被破解就是分分鐘的事情了，而恰好量子計算機可以通過量子比特的特性將破解因數(shù)分解的速度提升多個數(shù)量級，能夠輕易打破因數(shù)分解設置的計算難題。比如，分解一個300位和5000位的因數(shù)，量子算法可以將原來需要的15萬年減少到不足1秒，從原來的50億年減少到2分鐘。雖然現(xiàn)在量子計算機還處在初級階段，只能處理六位數(shù)的因數(shù)分解，但是隨著量子計算研究的升級，傳統(tǒng)公鑰密碼系統(tǒng)將遲早被淘汰。

　　因為量子計算的出現(xiàn)，傳統(tǒng)加密通信變成“小透明”，但是量子保密通信技術(也叫量子密鑰分發(fā))的出現(xiàn)，再一次讓“完美加密”得以實現(xiàn)。因此，量子保密通信成為當前量子通信技術的主要應用，也是當前可以走向產(chǎn)業(yè)落地的應用。

　　你看，“上帝關上一扇門，也會給你打開另一扇門”，而且打開的門還比關上的門要早一步開啟。

　　所謂量子保密通信，就是一種利用量子的偏振特性來完成信息加密的一種激光通信。那么，量子保密通信具體是如何實現(xiàn)的呢?

(量子偏振的疊加原理)

　　我們知道量子力學的特征有三點：疊加、測量和糾纏。

　　簡單來說，“疊加”保證了一個量子比特在偏振中可以有無限個狀態(tài)，而非數(shù)字比特只有0和1兩個狀態(tài)。疊加原理既能用來做量子計算，也能用來做量子加密?！皽y量”保證了量子的真正隨機性(randomness)，量子力學的“測量”讓“眼見為實”失去意義，每一次測量都會產(chǎn)生隨機的結果，而且測量本身也會改變結果，用在加密上就增加了傳輸錯誤率，因此一旦有第三方“竊聽”，通信雙方就能立刻發(fā)現(xiàn)。

　　“糾纏”就更厲害了，量子糾纏可以實現(xiàn)多個粒子的超遠距離的通信同步，不過對于量子加密來說，就有點像“火箭送快遞”一樣大材小用。因此，現(xiàn)在量子通信，只要充分利用量子疊加和測量的手段，單個粒子就能產(chǎn)生相同的隨機數(shù)，完成“量子密鑰分發(fā)”(quantum key distribution，QKD)。

　　最初的單粒子加密協(xié)議是由本內(nèi)特(Charles Bennett)和波拉薩德(Gilles Brassard)在1984年提出的，因此也被稱為“BB84協(xié)議”，而當前最先進的誘騙態(tài)協(xié)議可以看作是8848協(xié)議的改進版。

　　具體的量子加密的方式不再贅述，我們可以直接和傳統(tǒng)加密的效果做下對比：

　　傳統(tǒng)對稱密碼機制可以做到：(1)密文被截獲但不會被破譯;(2)僅靠計算無法破解，而傳統(tǒng)非對稱密碼機制，可以做到;(3)無需傳遞密鑰的信使;(4)在每次使用前直接產(chǎn)生密鑰，平時不需要保存密鑰，但需要依賴數(shù)學計算的復雜性做到“密文的不可破譯”。因此，這兩種方式都無法做到“完美加密”。

　　而量子保密通信不僅能同時做到以上四點，具備了計算意義上的“完美加密”性，而且因為量子的不可克隆性，在量子密鑰分發(fā)過程中，量子信號一旦遭到竊聽，通信雙方立刻就能發(fā)現(xiàn)，從而及時終止通信或更換信道通信，甚至還可以利用一些光學技術，確定竊聽者的位置。這一點是傳統(tǒng)加密技術根本無法做到的。因此，量子加密通信又被稱為(計算上)“絕對安全”的加密技術。

　　當然，以上只是從理論上證明了量子密鑰分發(fā)的可用性，但量子密鑰分發(fā)在一開始，可以實現(xiàn)的通信距離非常短，根本無法實現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化應用。因此，想要讓量子通信走進現(xiàn)實世界，就必須建造出可以進行遠距離傳輸?shù)牧孔油ㄐ畔到y(tǒng)。

從30厘米到4600公里，

從單線連接到“天地空一體”

　　1988年，IBM實驗室首次實現(xiàn)了現(xiàn)實意義的量子保密通信。當時，研究者通過上下偏振和左右偏振呈現(xiàn)的量子態(tài)來分別代表兩套測試方法，最終使得兩臺計算機在30厘米距離的線路連接下實現(xiàn)了量子通信，證明了量子保密通信的可行性，而此后如何增加量子通信距離，就成為量子保密通信最主要的任務。

　　1995年，瑞士日內(nèi)瓦大學首次做到了距離23公里的量子保密通信。2002年，美國BBN公司、哈佛大學和波士頓大學開始聯(lián)合建造DARPA網(wǎng)絡，并在2009年完成了城域量子保密通信實驗網(wǎng)絡的建設。

　　2003年，韓國、中國、加拿大等國學者提出了誘騙態(tài)量子密碼理論方案，在現(xiàn)有技術條件和真實系統(tǒng)的狀況下，大幅提高了量子通信的安全傳輸距離。中科大潘建偉團隊在2010年時候可以做到16公里的量子通信，到2012年成功推進到百公里級別，并首次證明了衛(wèi)星與地面站間進行量子通信的可行性。

　　2016年8月，中國成功發(fā)射世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”，該衛(wèi)星既實現(xiàn)了上千公里的星地高速量子密鑰分發(fā)，又實現(xiàn)了遠距離地星量子隱形傳態(tài)，從而將極大推動量子通信的實用化。2016年底，全球首條量子保密通信骨干線——“京滬干線”貫通，通過量子中繼站，構建起連接北京、上海，貫穿濟南和合肥全長2000余公里的量子通信骨干網(wǎng)絡。也就是通過墨子號和京滬干線連接，建成這條“跨越4600公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡”。

(《Nature》論文圖：天地一體化量子通信網(wǎng)絡示意圖)

　　墨子號和地面的量子保密通信是通過真空和大氣層傳遞，光信號傳輸基本不會衰減，因此可以實現(xiàn)超遠距離的自由空間信道傳輸。而京滬干線采用光纖QKD鏈路傳輸，盡管不受外界環(huán)境影響，但是光信號衰減嚴重，導致必須使用可信中繼方案進行城域、城際的傳輸。

　　理解了這兩種方式的優(yōu)缺點，我們也就能夠理解南京大學團隊提出的“以無人機為光學中繼”的方式進行量子密鑰分發(fā)，所具有“即搭即用、靈活機動”的特點，正好可以實現(xiàn)和光纖地基和衛(wèi)星天基量子鏈路的功能互補。

　　未來，基于高低空無人機所搭建的移動量子鏈路可以向著“低空小型化”和“高空遠距離”兩個方向發(fā)展，最終目標是可以建立多節(jié)點連接的自由空間的量子鏈路網(wǎng)絡。

　　經(jīng)過30多年的演進發(fā)展，從厘米級別到數(shù)千公里級別、從單線連接到城域、城際網(wǎng)絡，再到天地一體量子通信網(wǎng)絡，量子通信已經(jīng)開始進入產(chǎn)業(yè)化應用的階段當中。

暫時領先，道阻且長

　　說到這里，大家可能都非常關心一個問題，那就是在全球量子通信產(chǎn)業(yè)競賽中，中國處在一個怎樣的位置?這一次我們可以不客氣地說，中國的量子通信暫時取得了領先。

　　首先，和美國、歐盟量子通信網(wǎng)絡的實力對比，我國廣域量子通信網(wǎng)絡已具有大幅領先優(yōu)勢。

　　去年，歐盟發(fā)布的《量子旗艦計劃戰(zhàn)略研究議程》中提到：“未來3年愿景是利用QKD協(xié)議和具有可信中繼節(jié)點的網(wǎng)絡實現(xiàn)全球范圍的安全密鑰分發(fā)，6-10年愿景是使用量子中繼器在光纖上實現(xiàn)800公里以上的量子通信。”而美國去年發(fā)布的《量子網(wǎng)絡戰(zhàn)略愿景》中提出：“未來5年，美國將展示量子網(wǎng)絡的基礎科學和關鍵技術，從量子互連、量子中繼器、量子存儲器到高通量量子信道，以及洲際天基糾纏分發(fā)?！?/FONT>