量子通信:让信息传输无条件安全

    全国政协十三届一次会议首场“委员通道”3月3日在人民大会堂北大厅举行。全国政协委员、中科院院士、中国科技大学常务副校长潘建伟在“委员通道”表示,量子通信原理上可以提供一种不能破解、不能窃听的安全信息传输方式,它在国防、政务、金融、个人信息保护等方面都起到了积极的作用。通过未来5—10年的努力,我们希望能够构建一个天地一体化的量子保密通信网络,来保护千家万户的信息安全。

    从理想王国走到了现实王国

    2018年1月21日,“2017科技盛典”颁奖典礼在央视演播大厅隆重举行。潘建伟领衔的“天地一体化广域量子通信技术研究团队”入选年度科技创新团队。中国科学院院长白春礼为该团队颁奖。

    “天地一体化广域量子通信技术研究团队”经过长达10余年的协同攻关,取得了天地一体化广域量子通信技术的重大突破。自主研制了世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”,在国际上率先实现千公里级的星地量子通信,圆满实现全部既定科学目标;国家量子保密通信“京沪干线”通过总技术验收,使得我国的量子通信研究水平全面处于国际领先地位。结合“京沪干线”与“墨子号”的天地链路,中国和奥地利之间在国际上首次成功实现了距离达7600公里的洲际量子密钥分发,标志着天地一体化广域量子通信网络雏形已经形成。用潘建伟的话说,千公里级的星地双向量子通信,终于“从理想王国走到了现实王国”。

    上面提到的“量子通信”,是利用量子比特作为信息载体来传输信息的通信技术,可在确保信息安全、增大信息传输容量等方面突破经典信息技术的极限。量子通信有两种最典型的应用,一种是量子密钥分发,另一种是量子隐形传态。量子密钥分发克服了经典加密技术内在的安全隐患,是迄今为止唯一被严格证明是原理上无条件安全的通信方式,可以从根本上解决国防、金融、政务、商业等领域的信息安全传输问题。

    这听上去“玄而又玄”的“黑科技”正影响改变着我们的现在和未来——我国科学家自主研制的量子通信装备,已经为60周年国庆阅兵、党的“十八大”“十九大”、纪念抗战胜利70周年阅兵等国家重要政治活动提供了信息安全保障。中国银监会银行业监管信息报送、中国人民银行人民币跨境收付信息管理系统、中国工商银行网上银行数据异地灾备系统、阿里巴巴商业数据加密传输等等,用的都是量子保密通信技术。

    堪比万米高空向储钱罐里扔硬币

    中国量子通信团队取得了举世瞩目的重要成果,在这当中他们遭遇了怎样的技术难题?

    潘建伟介绍说,在量子通信技术的研发过程中,首先要面对的是制备单个光量子的技术难题。他举了一个非常形象的例子,来解释这一关键技术的难度:一个普通的15瓦左右的灯泡每秒钟辐射出的光量子个数可达百亿亿个,想要实现单个光量子的制备就如同在这百亿亿个光量子发射出来的瞬间捕捉到其中的某一个,技术难度可想而知。另一个难题是单光子的探测。单个光子已经是光能量的最小单元,能量是非常微弱的,需要发展出非常精密和高效的单光子探测技术。具备了单个光量子的制备和探测能力后,才能够实现安全的量子通信。这仅仅指的是地面上的量子通信,而要实现量子卫星与地面的星地通信难度更可想而知。

    “简单地讲几件事情,你会大致明白究竟有多难。” 量子通信技术研究团队王建宇教授细数了“墨子号”卫星的种种难关,“举个例子,要从1000公里的高度把一个个光子发射到地面站,这就好比在万米高空高速飞行的飞机上,同时向地面两个旋转的投币口细长的储蓄罐扔进一个个硬币。储蓄罐的投币口是细长的,相当于光的偏振,它是有方向的,硬币要把方向对好才能扔进去,而且不是扔一个,要两边同时都扔准才行。”王建宇说,他们做过一个计算,一根火柴划一下大概有1017个光子,而卫星地面站的探测能力,相当于在地球上的人不用任何仪器,要发现在月亮上有人划了一根火柴。“此外,还要在每秒一亿个光子里面,搞明白我们探测到的是第几个光子,这些光子都是排好队的,抓一个就要知道它是第几个,这样才能用来做密钥。而这对于量子通信的诸多难题而言,只是非常简单的一个小细节。”王建宇说。

    争分夺秒铺就量子通天长路

    面对这一深刻影响未来的科技竞争,传统科技强国都在积极整合各方面的研究力量和资源,力争在量子信息技术大规模应用方面占据先机。

    全球最大的独立科技研发机构美国Battelle公司提出了商业化的广域量子通信网络规划,并考虑建造环美国的万公里量子通信骨干网络,为谷歌、IBM、微软、亚马逊等公司的数据中心之间提供量子通信服务;韩国SK电讯提出了环韩国量子通信干线规划;俄罗斯也计划投资量子通信…….

    为此,我国进一步发力。国家发改委最近正式启动国家广域量子保密通信骨干网络建设项目,计划通过10年左右的努力,建成面向“一带一路”、服务国家战略需求、规模最大、技术最先进的总里程约3.5万公里的量子保密通信互联网。

    中科院在前期基础上,进一步整合统筹全国高校、科研院所和相关企业的创新要素和优势资源,最终形成聚焦国家长远目标和重大需求的原创性、集成性科技创新成果,培育形成战略性新兴产业。

    2018年,量子通信的未来已来,重任在肩,目标已定:

    ——研制中高轨量子通信卫星,量子密钥分发量满足机要部门业务化运行的需求;

    ——为新一代信息基础设施“国家广域量子保密通信骨干网”的建设提供坚实的技术支撑,满足金融、政务、电力、电信等行业专网应用需求,实现核心量子通信器件的全面国产化,形成系统性量子通信国家技术标准,参与并主导国际技术标准制定。

    与此同时,面向构建覆盖全球的量子通信网络远期目标,我国正计划建设业务化运行的量子密码卫星网络,将发射多颗低轨量子通信卫星组成量子星座,提供覆盖全球的量子密码分发服务,量子保密通信服务将从二维平面扩展到三维空间,星地量子密钥分发的实用化和规模化应用正加速到来。

    诚如量子通信团队的一幅新春对联:前仆后继展天地通信雄姿,争分夺秒铺量子通天长路。

    本文主要内容引自 新浪新闻

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