量子通信，你必須要知道的神奇

2016年8月16日今日凌晨01時(shí)40分，我國(guó)發(fā)射首顆“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”。如果衛(wèi)星成功運(yùn)行，我國(guó)將成為世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間量子通信的國(guó)家，并結(jié)合地面已有的光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建一個(gè)廣域量子通信體系，在世界上率先實(shí)現(xiàn)全球化的量子保密通信。

眾所周知，通信保密在國(guó)防、金融、政務(wù)、商業(yè)等領(lǐng)域具有重要作用。就目前和可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái)來(lái)看，量子通信被公認(rèn)是迄今為止唯一被嚴(yán)格證明能"無(wú)條件安全"的通信方式，可確保通信安全和提升計(jì)算速度。

量子世界中存在一種類(lèi)似“心電感應(yīng)”的現(xiàn)象，即通常所說(shuō)的量子糾纏。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具有糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子無(wú)論相距多遠(yuǎn)，只要一個(gè)發(fā)生變化，另外一個(gè)也會(huì)瞬間發(fā)生變化。其原因目前還沒(méi)搞清楚。

量子糾纏示意圖

量子通信是利用量子的糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的新型通信方式。它主要基于量子糾纏態(tài)的理論，使用量子隱形傳態(tài)的方式實(shí)現(xiàn)信息傳遞。

傳統(tǒng)的通信加密和傳輸安全都是依賴(lài)于復(fù)雜的算法，但是只要對(duì)方的計(jì)算能力足夠強(qiáng)大，再?gòu)?fù)雜的保密算法都能夠被破解，所以都不能夠做到絕對(duì)安全。量子通信的安全性基于量子物理基本原理，作為光的最小顆粒，單個(gè)光量子在傳輸信息的時(shí)候具有不可分割和不可被精確的復(fù)制兩大特性，從而能保證信息的不可竊聽(tīng)和不可破解，因此，哪怕計(jì)算能力再?gòu)?qiáng)也是破解不了的。

量子通信是將信息編碼加載到單個(gè)光量子疊加態(tài)的偏振方向上。在量子保密通信過(guò)程中，發(fā)送方和接收方采用單個(gè)光量子的狀態(tài)作為信息載體來(lái)建立密鑰。由于單個(gè)光量子是光能量的最小組成單元，不能被再分割，所以在單個(gè)光量子發(fā)射的情況下，竊聽(tīng)者無(wú)法將單個(gè)光量子分割成兩部分，讓其中一部分繼續(xù)傳送，而對(duì)另一部分進(jìn)行狀態(tài)測(cè)量獲取密鑰信息。又由于不可被精確的復(fù)制，所以竊聽(tīng)者無(wú)論是對(duì)單個(gè)光量子狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量或是試圖復(fù)制之后再測(cè)量，都會(huì)對(duì)光量子的狀態(tài)產(chǎn)生擾動(dòng)，從而使竊聽(tīng)行為暴露。

量子通信永遠(yuǎn)不會(huì)泄密的原因之一是，量子加密的密鑰是隨機(jī)的，即使被竊取者截獲，也無(wú)法得到正確的密鑰，因此無(wú)法破解信息;其二，分別在通信雙方手中具有糾纏態(tài)的2個(gè)粒子，其中1個(gè)粒子的量子態(tài)發(fā)生變化，另1個(gè)粒子的量子態(tài)就會(huì)隨之立刻變化，根據(jù)量子理論，任何干擾都會(huì)立刻改變量子態(tài)，使竊取者得到的信息遭到破壞，并非原有信息。

與成熟的傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，量子通信具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：

一是保密性強(qiáng)。二是隱蔽性高，量子通信是一種完全無(wú)“電磁”的通信技術(shù)，現(xiàn)有的無(wú)線電探測(cè)系統(tǒng)無(wú)法對(duì)其進(jìn)行探測(cè)。三是應(yīng)用性廣，量子既可在太空中進(jìn)行通信，又可以在海底等惡劣條件下通信，還可以在光纖等介質(zhì)中進(jìn)行信息“傳遞”，可以應(yīng)用到各種應(yīng)用場(chǎng)景。四是時(shí)效性高，由于量子通信時(shí)延為零，能極大地提高通信速度。

近年來(lái)，我國(guó)科學(xué)家潘建偉院士帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在自由空間量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)方面不斷取得國(guó)際領(lǐng)先的突破性成果，為基于衛(wèi)星的廣域量子通信和量子力學(xué)基礎(chǔ)原理檢驗(yàn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”首席科學(xué)家潘建偉

雖然在光纖中可以實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，但由于光量子易被光纖吸收，存在固有的光量子損耗，與環(huán)境的耦合也會(huì)使量子糾纏品質(zhì)下降，導(dǎo)致信號(hào)在光纖傳送的過(guò)程中越來(lái)越弱，因此僅僅利用光纖難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通信。另外，近地面自由空間通道會(huì)受地面障礙物、地表曲率、氣象條件的影響，光量子傳輸難以在地面自由空間中向遠(yuǎn)距離拓展。

為此，發(fā)展量子衛(wèi)星通信是遠(yuǎn)距離光量子傳輸?shù)谋赜芍?。它能克服地表曲率、沒(méi)有障礙物的阻礙;光量子在光纖中的損耗遠(yuǎn)高于自由空間的損耗，大氣對(duì)光量子的吸收和散射遠(yuǎn)小于光纖，并能保持光量子極化糾纏品質(zhì)。另外,受到地面條件的限制，很多地方無(wú)法鋪設(shè)量子通信的專(zhuān)用光纖。

“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”示意圖

我國(guó)在今日凌晨發(fā)射了全球首顆“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”。這是國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)空間大尺度的量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，推進(jìn)人類(lèi)對(duì)大尺度范圍量子力學(xué)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，并帶動(dòng)我國(guó)量子物理整體水平大幅提升。

從斯諾登泄密事件，到近期美國(guó)民主黨全國(guó)委員會(huì)郵件泄露，通信信息安全又受到全球關(guān)注。遺憾的是，隨著技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)典通信的加密，從構(gòu)建原理上，被破譯風(fēng)險(xiǎn)與日俱增。然而，我國(guó)正在建設(shè)的天地一體化量子保密通信網(wǎng)絡(luò)，將構(gòu)建起一個(gè)信息絕對(duì)安全的新時(shí)代……