量子通信：絕密不可破譯的通信方式[圖]

保密通信是一個十分重要的科學研究領域，有著十分悠久并且充滿神秘的歷史，它隨著技術的發(fā)展和進步不斷得到提高和完善。時至今日，究竟有沒有一種絕對不可破譯的保密方式，能讓傳送的信息絕對安全可靠？

量子通信，就是迄今為止唯一被嚴格證明是無條件安全的通信方式。那么，究竟什么是“量子通信”？它的技術路徑選擇是怎樣的？中國量子通信領域目前的發(fā)展成果有哪些？它的潛在應用和未來前景怎樣？下面就讓我們問專家，訪企業(yè)，一起揭開量子通信的神秘面紗。

量子通信究竟“神”在哪兒

當你從遠處觀看電腦屏幕時，你會發(fā)現(xiàn)，電腦中的畫面都是連續(xù)不斷的；然而，當你用放大設備仔細觀察屏幕時，那些連續(xù)不斷的畫面都是由一粒粒最小單位的“像素點”構成的。

量子也是如此。它聽起來很神秘，但卻每天無時無刻不充斥在我們身邊，比如我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷墓?，就是由大量光量子組成的。在微觀領域中，某些物理量的變化是以最小的單位跳躍式進行，并不是連續(xù)進行的。而量子就像電腦屏幕中的最小“像素點”一樣，它是能量中的最小單位。

“量子通信是指利用量子力學基本原理或基于物質(zhì)量子特性的通信技術。它是結合量子技術與現(xiàn)代通信技術的一種新興通信技術，在理論上可實現(xiàn)無條件安全的鏈路數(shù)據(jù)傳輸，被認為是保障未來通信安全最重要的技術手段。”北京郵電大學智能網(wǎng)絡安全實驗室主任李劍認為。

而在清華大學物理系教授王向斌看來：“量子通信，簡單地說，就是基于光的單量子態(tài)實現(xiàn)的通信手段，以完成經(jīng)典通信手段無法完成的通信任務，例如保密性任務等。”

中科院院士、國家科技部“973”項目首席科學家、中國科技大學教授郭光燦告訴記者，整個量子通信中，具有短期內(nèi)實際應用潛能的是量子保密通信，這其中最有用的部分就是量子密鑰分發(fā)。

“通過傳輸光的單量子態(tài)獲取的密鑰（即秘密隨機數(shù)）為量子密鑰。所謂秘密隨機數(shù)，就是除了通信雙方外，任何第三者都無從知道的隨機數(shù)。”王向斌說。

而經(jīng)典通信使用最廣泛的公鑰密碼，最典型的要數(shù)假定大型數(shù)據(jù)分解的數(shù)學難題。但是，隨著計算能力的不斷提高，特別是未來量子計算機的漸行漸近，這種數(shù)學難題的復雜性就迎刃而解了，經(jīng)典保密通信基于的數(shù)學方法并不能獲得嚴格的數(shù)學證明。“而量子保密通信最大賣點之一就是它的安全性獲得了嚴格的數(shù)學證明，這也可以從其基本的量子力學的基本原理來解釋。”郭光燦表示。

李劍表示，目前我國已將以量子通信系統(tǒng)為核心的量子調(diào)控技術列入了《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020)》中重大研究計劃。我國從2001年開始，在科技部“973”計劃、“863”計劃、國家自然科學基金重點項目、中科院知識創(chuàng)新工程重大項目的前瞻性支持下，量子通信科研方面取得了許多重要研究成果。

量子通信的技術路徑選擇是怎樣的

是否有必要走一條全新的量子通信技術路線？記者采訪的多位專家、學者表示，從目前的實際情況來看，將量子通信網(wǎng)絡與現(xiàn)有網(wǎng)絡進行融合是其最優(yōu)的發(fā)展戰(zhàn)略?；ヂ?lián)網(wǎng)在最初設計時并沒有全面深入地考慮其自身的安全性，這是造成現(xiàn)今網(wǎng)絡安全問題十分突出的主要原因之一。

“走量子通信與經(jīng)典通信的融合發(fā)展之路是基于技術上的考慮，而不是基于經(jīng)濟層面的考慮。”郭光燦認為，量子通信極強的保密性是基于量子密鑰技術而實現(xiàn)的，密鑰也是基于量子的特殊性而研發(fā)的，而其他通信方面的技術與傳統(tǒng)經(jīng)典通信差異不大。

中國科學院院士、中國科學院物理研究所研究員于淥在接受本報記者采訪時表示：“量子通信從原理走上小范圍專用問題的實用化，是現(xiàn)在全世界都在努力的方向。中國的起步不錯，也有很好的學術帶頭人，下一步的發(fā)展就是明確定位的問題。這其中，十分重要的一方面就是要注意將量子通信與現(xiàn)有的傳統(tǒng)通信相互融合，要善于借鑒現(xiàn)有的通信技術來發(fā)展量子通信技術。”

多位專家認為，量子通信和經(jīng)典網(wǎng)絡的融合需要解決物理層和組網(wǎng)技術、中繼技術和通信應用技術等方面的相互融合問題。由于傳統(tǒng)的光通信可能在未來很長一段時間內(nèi)仍然是主要通信技術手段，因此，在光通信網(wǎng)絡上實現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡，將是雙方融合的基礎。

在現(xiàn)實的量子通信中，量子通信與現(xiàn)有傳統(tǒng)通信的融合是一個相互“取長補短”的過程。“量子通信不會完全取代現(xiàn)有的通信技術，而是在現(xiàn)有的技術上在物理層、網(wǎng)絡層、應用層三方面將兩者進行完美融合。”郭光燦告訴記者。

郭光燦進一步解釋，從物理層來說，可以從光源、探測器和信道方面考慮。“在網(wǎng)絡層方面，我們可以采取獨立的信道和統(tǒng)一的網(wǎng)絡結構，也可以用一根光纖既傳遞量子信號又傳遞經(jīng)典信號。”

而在應用層面，郭光燦建議，量子通信可以同現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)安全協(xié)議相結合，用量子密碼來替換現(xiàn)有協(xié)議中的初始密碼。他表示，這樣既可以得到更可靠的安全性，也可以保持較高的通信速率。他舉例說：“我們用量子密碼生成種子密鑰，然后用傳統(tǒng)的經(jīng)典方法進行擴張，這樣既可以保證種子密鑰的可靠安全，同時也可以保證較高的通信效率。”

中國量子通信發(fā)展成果有哪些

古人在信封上用火漆封口，信件一旦在運輸途中被拆開，便會留下“泄密”的痕跡。不難理解，量子密鑰在量子通信中的作用比火漆更徹底：一旦有人試圖打開信件，量子密鑰會讓信件自動銷毀，并讓使用者獲知情況。由此來看，擁有這項技術成果對我國科學技術發(fā)展影響巨大。而事實上，在量子通信領域，我國已是世界上最有發(fā)言權的僅有的幾個國家之一，成果斐然。

“在不需要中繼的情況下，我國的量子通信技術可以在200多公里的距離上保證通信安全。在這一層面，我國是在世界上領先的。”郭光燦坦言，這項技術應用到實際層面上，安全距離可達100多公里，“我國與美國、歐洲、日本等科技發(fā)達國家水平相當”。

郭光燦是我國量子信息的理論與實驗領域的著名科學家之一，其“段-郭概率量子克隆機”被認為是“該領域最激動人心的進展之一”，“量子避錯編碼”被公認為三種不同原理編碼之一。[!--empirenews.page--]

今年10月，郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室在高維量子信息存儲方面取得重要進展。據(jù)了解，該實驗室史保森教授領導的研究小組在國際上首次實現(xiàn)了攜帶軌道角動量、具有空間結構的單光子脈沖在冷原子系綜中的存儲與釋放，證明了建立高維量子存儲單元的可行性，邁出了基于高維量子中繼器實現(xiàn)遠距離大信息量量子信息傳輸?shù)年P鍵一步。這項成果在線發(fā)表在著名的《自然·通訊》上。

此外，該實驗室李傳鋒教授研究組與英國、意大利兩國的合作者利用一個兩粒子體系的簡單模型，實驗上觀測到經(jīng)典噪聲環(huán)境中量子關聯(lián)的恢復現(xiàn)象。這項研究成果于去年11月29日在線發(fā)表于《自然·通訊》上。

業(yè)內(nèi)專家表示，這項研究成果使在經(jīng)典噪聲環(huán)境中對量子關聯(lián)資源的調(diào)控成為可能，進一步實現(xiàn)簡化量子關聯(lián)恢復所需要的條件，并為研究量子關聯(lián)在經(jīng)典噪聲環(huán)境中的恢復開辟了一條新路徑。

不僅僅在實驗室等科研領域，量子通信在國內(nèi)不少科技企業(yè)也發(fā)展勢頭良好。由2010年3月成立的山東量子科學技術研究院有限公司建設完成的“濟南量子通信試驗網(wǎng)“，便是山東省首批戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)項目。

據(jù)了解，該試驗網(wǎng)在濟南市區(qū)擁有50個節(jié)點用戶單位，服務用戶90個，涵蓋省、市黨政機關、檢察院系統(tǒng)、金融系統(tǒng)、高校及科研院所，為用戶提供安全保密的語音電話、傳真、文本通信和文件傳輸?shù)榷喾N業(yè)務服務。作為目前世界規(guī)模最大的量子通信城域網(wǎng)絡，在方案設計和開發(fā)中，該試驗網(wǎng)充分考慮并參考了經(jīng)典網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡可擴展性、可管理性、可維護性、可靠性以及網(wǎng)絡安全等方面的要求。

山東量子科學技術研究院有限公司工程師姚東告訴記者：“濟南網(wǎng)作為量子通信網(wǎng)絡國家試驗床的系統(tǒng)性平臺，在方案設計和開發(fā)中，該網(wǎng)絡充分考慮并參考了經(jīng)典網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡可擴展性、可管理性、可維護性、可靠性以及網(wǎng)絡安全等方面的要求，已成為日后再建量子通信網(wǎng)絡的樣本和標桿。”

量子通信潛在應用和未來前景

公元前405年，古希臘兩大城邦雅典和斯巴達之間的伯羅奔尼撒戰(zhàn)爭已近尾聲，雅典情報人員從波斯帝國帶回一條布滿雜亂無章的希臘字母的腰帶，當這條“普通”的腰帶呈螺旋形狀纏繞在劍鞘上時，毫無規(guī)律可循的字母卻變成了一串串文字。

2400多年后的今天，隨著量子通信的發(fā)展與進步，保密措施變得越來越復雜、越來越可靠。那么，量子通信的潛在應用和未來前景怎樣？業(yè)內(nèi)人士表示，量子通信在未來的國際競爭將愈來愈激烈，人類將致力于將量子保密通信向更遠距離和更大規(guī)模的廣域網(wǎng)絡發(fā)展。

“量子通信在軍事、國防、金融等信息安全領域有著重大的潛在應用價值和發(fā)展前景。”李劍認為，量子通信不僅可用于軍事、國防等領域的國家級保密通信，還可用于涉及秘密數(shù)據(jù)、票據(jù)的政府、電信、證券、保險、銀行、工商、地稅、財政等領域和部門。

李劍告訴記者，在國防和軍事領域，量子通信能夠應用于通信密鑰生成與分發(fā)系統(tǒng)，向未來戰(zhàn)場覆蓋區(qū)域內(nèi)任意兩個用戶分發(fā)量子密鑰，構成作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)機動的安全軍事通信網(wǎng)絡；此外，它還能夠應用于信息對抗，改進軍用光網(wǎng)信息傳輸保密性，提高信息保護和信息對抗能力；并能夠應用于深海安全通信，為遠洋深海安全通信開辟了嶄新途徑；利用量子隱形傳態(tài)以及量子通信絕對安全性、超大信道容量、超高通信速率、遠距離傳輸和信息高效率等特點，建立滿足軍事特殊需求的軍事信息網(wǎng)絡，為國防和軍事贏得先機。

而在國民經(jīng)濟領域和部門，“量子通信未來可用于金融機構的隱匿通信等工程以及對電網(wǎng)、煤氣管網(wǎng)和自來水管網(wǎng)等重要基礎設施的監(jiān)視和通信保障，促進國民經(jīng)濟的發(fā)展”，李劍說。

記者從山東量子科學技術研究院有限公司獲悉，目前，城域范圍量子通信技術已經(jīng)完全成熟，從未來看，量子保密通信必將向更遠距離骨干線路和更大規(guī)模網(wǎng)絡的方向發(fā)展，這也是國際上量子通信的應用模式發(fā)展的趨勢。據(jù)介紹，國家計劃構建連接北京、濟南、合肥、南京和上海等地的量子保密通信“京滬干線”，該項目總體目標是和北京城域接入網(wǎng)以及上海城域接入網(wǎng)，并連接原有的山東“濟南量子通信試驗網(wǎng)”和安徽“合肥城域量子通信試驗示范網(wǎng)絡”，形成大尺度廣域量子保密通信網(wǎng)絡。

在未來，將計劃構建以此網(wǎng)絡作為技術驗證平臺和基礎網(wǎng)絡設施，集成驗證量子通信和應用技術，開展遠程高清量子保密視頻會議系統(tǒng)和其他多媒體跨域互聯(lián)應用研究，實現(xiàn)金融、政務領域的遠程/同城金融數(shù)據(jù)災備系統(tǒng)、金融機構數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等多項應用示范。

不過，量子通信技術的未來發(fā)展前景并不會一帆風順，也會遇到各種挑戰(zhàn)和困惑。據(jù)了解，量子信息技術包括兩方面：量子通信和量子計算機。而量子計算機目前仍然處在基礎研究階段，未能廣泛實際應用。

盡管困難重重，但郭光燦仍信心滿滿。他向記者表示，量子保密通信已經(jīng)實現(xiàn)工程化、產(chǎn)業(yè)化，在不久的將來會誕生一個新興產(chǎn)業(yè)——量子信息產(chǎn)業(yè)。

“神”氣十足的量子通信聽起來讓人不可思議，而事實上，它已經(jīng)漸行漸近般地走進我們的生活。不難想象，隨著量子通信技術的產(chǎn)業(yè)化推進和廣域量子通信網(wǎng)絡的進一步發(fā)展，在不久的將來，作為保障未來信息社會通信安全的關鍵技術，量子通信將有望走向大規(guī)模應用，為信息化社會的發(fā)展提供基礎的安全服務和可靠的安全保障。

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