通信安全是國家信息安全和人類經(jīng)濟社會生活的基本需求。千百年來，人們對于通信安全的追求從未停止。然而，基于計算復雜性的傳統(tǒng)加密技術，在原理上存在著被破譯的可能性。隨著數(shù)學和計算能力的不斷提升，經(jīng)典密碼被破譯的可能性與日俱增。
量子保密通信是唯一已知的不可竊聽、不可破譯的安全通信方式；2016年8月16日，中國成功發(fā)射首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”。
而日前中國科學院就在京召開新聞發(fā)布會對外宣布，“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星提前并圓滿實現(xiàn)全部三大既定科學目標，為中國在未來繼續(xù)引領世界量子通信技術發(fā)展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學與技術基礎。
中國科學技術大學潘建偉教授及其同事彭承志等組成的研究團隊，聯(lián)合中國科學院上海技術物理研究所王建宇研究組、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術研究所、國家天文臺等，在中國科學院空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項的支持下，利用“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星，在國際上首次成功實現(xiàn)了從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)和從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)。
兩項成果于8月10日同時在線發(fā)表在國際權威學術期刊《自然》雜志上。這是繼先前在國際上率先實現(xiàn)千公里級星地雙向量子糾纏分發(fā)和量子力學非定域性檢驗的研究成果發(fā)表在《科學》雜志之后，中國科學家利用“墨子號”量子衛(wèi)星實現(xiàn)的空間量子物理研究另外兩項重大突破。
中國科學院院長、黨組書記白春禮表示，“墨子號”開啟了全球化量子通信、空間量子物理學和量子引力實驗檢驗的大門，為中國在國際上搶占了量子科技創(chuàng)新制高點，成為了國際同行的標桿，實現(xiàn)了“領跑者”的轉(zhuǎn)變。
通常認為，量子通信主要研究內(nèi)容包括量子密鑰分發(fā)（量子保密通信）和量子隱形傳態(tài)。
量子密鑰分發(fā)通過量子態(tài)的傳輸，在遙遠兩地的用戶共享無條件安全的密鑰，利用該密鑰對信息進行一次一密的嚴格加密，這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全的通信方式。
“ 通俗來講，量子密鑰分發(fā)，就好比一個人想要傳遞秘密給另外一個人，需要把存放秘密的箱子和一把鑰匙傳給接收方。接收方只有用這把鑰匙打開箱子，才能取到秘密。沒有這把鑰匙，別人無法打開箱子，而且一旦這把鑰匙被別人動過，傳送者會立刻發(fā)現(xiàn)，原有的鑰匙作廢，再給一把新的鑰匙，直到確保接收方本人拿到。”潘建偉說。
外太空光信號損耗小，衛(wèi)星的輔助可以大大擴展量子通信距離
量子通信通常采用單光子作為物理載體，最為直接的方式是通過光纖或者近地面自由空間信道傳輸。如何實現(xiàn)安全、長距離、可實用化的量子通信，是該領域的最大挑戰(zhàn)和國際學術界幾十年來奮斗的共同目標。
中國科學院上海技術物理研究所研究員、量子科學實驗衛(wèi)星工程常務副總師、衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮王建宇說：“利用外太空幾乎真空因而光信號損耗非常小的特點，通過衛(wèi)星的輔助可以大大擴展量子通信距離。同時，由于衛(wèi)星具有方便覆蓋整個地球的獨特優(yōu)勢，是在全球尺度上實現(xiàn)超遠距離實用化量子密碼和量子隱形傳態(tài)最有希望的途徑。”
從本世紀初以來，該方向已成為了國際學術界激烈角逐的焦點。潘建偉團隊為實現(xiàn)星地量子通信開展了一系列先驅(qū)性的實驗研究。
為構建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡奠定可靠的技術基礎
此次完成的星地高速量子密鑰分發(fā)實驗是“墨子號”量子衛(wèi)星的科學目標之一。
潘建偉表示，這一重要成果為構建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡奠定了可靠的技術基礎。以星地量子密鑰分發(fā)為基礎，將衛(wèi)星作為可信中繼，可以實現(xiàn)地球上任意兩點的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴展到覆蓋全球。此外，將量子通信地面站與城際光纖量子保密通信網(wǎng)（如合肥量子通信網(wǎng)、濟南量子通信網(wǎng)、京滬干線）互聯(lián)，可以構建覆蓋全球的天地一體化保密通信網(wǎng)絡。
地星量子隱形傳態(tài)實驗是“墨子號”量子衛(wèi)星的另一個科學目標之一。彭承志說，這一重要成果為未來開展空間尺度量子通信網(wǎng)絡研究以及空間量子物理學和量子引力實驗檢驗等研究奠定了可靠的技術基礎。
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