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拨通你的量子电话 (关注·走进科技新时代②)

2013-06-14 03:44:52 来源:人民网-人民日报
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[提要]  量子保密通信的过程也相同,只不过作为加密和解密的密钥不再是传统的密码,而是改用微观粒子携带的量子态信息。在量子通信技术的网络化研究方面,中国科大潘建伟小组于2008年建成光量子电话网,实现了“一次一密”加密方式的实时网络通话。
 

蔡华伟制图

广域量子信息示意图

  中国科学技术大学供图

  公元前405年,伯罗奔尼撒战争末期,雅典间谍从波斯帝国带回一条布满杂乱无章的希腊字母的普通腰带,当腰带呈螺旋形缠绕在剑鞘上时,毫无规律可循的字母就变成了一段文字。这被认为是世界上最早的密码情报。

  2400多年来,密码作为保护信息的手段,在军事、外交、经济、生活等领域得到全方位应用。然而,尽管经历了手工加密、机器编码、计算机编码等不断升级的过程,密码变得越来越复杂、越来越可靠,但迄今无论什么样的高级密码,依然都有被破解的可能。

  那么,有没有一种绝对不被破译的密码,能让传送的信息安全可靠?

  “现代量子信息理论与实验的快速发展,有望破解这一难题。”中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室教授刘乃乐说。

  量子通信很保密

  一旦有人试图打开信件,量子密钥会让信件自毁

  量子理论认为,微观领域里,某些物质可以同时处于多个可能状态的叠加态,只有在被观测或测量时,才会随机地呈现出某种确定的状态。因此,对物质的测量意味着干涉,改变被测量物质的状态。基于这一原理,科学家们提出量子密码的概念,也就是用具有量子态的物质作为密码。这样一来,任何截获或测试量子密码的操作,都会改变量子状态。换言之,截获量子密码的人得到的只是无意义的信息,而信息的合法接收者也可以从量子态的改变中知道量子密码曾被截取过。量子密码被应用于量子通信系统中,便是所谓的“量子保密通信”。

  传统的保密通信可以分为“加密”、“接收”、“解密”三个过程,发送者将发送内容通过某种加密规则(密钥)转化为密文,接收者在接到密文后采用与加密密钥匹配的解密密钥对密文进行解密,得到传输内容。

  量子保密通信的过程也相同,只不过作为加密和解密的密钥不再是传统的密码,而是改用微观粒子携带的量子态信息。这一看似微小的变化,使密钥的安全性产生了彻底变化。

  “古人在信封上用火漆封口,一旦信件被中途拆开,就会留下泄密的痕迹。”中国科大潘建伟院士打比方说,量子密钥在量子通信中的作用比火漆更彻底——一旦有人试图打开信件,量子密钥会让信件自毁,并让使用者知晓。只要量子力学规律成立,量子保密通信就无法被破解。

  应用前景诱人

  量子通信的距离和速度飞跃式提升。中国是后来者,但起点高,进展快

  1984年,IBM华生实验室工程师本奈特和布拉萨德提出全新的通信协议,叩开量子保密通信的大门。从那以后,由于量子通信技术诱人的应用前景,西方发达国家投入了大量的人力物力进行理论和实验研究。

  近十几年来,量子通信的距离和速率都有了飞跃式的提升,一些小规模的量子通信试验网已经建成,验证了量子通信技术网络化的可行性。

  “下一步的国际竞争将更加激烈,人类将致力于将量子保密通信向更远距离和更大规模的广域网络发展。”刘乃乐介绍说,欧盟已提出欧洲量子通信未来发展目标,将重点发展量子中继和卫星量子通信,实现千公里量级的量子密钥分发;日本国立信息通信研究院计划到2040年建成极限容量、无条件安全的广域光纤与自由空间量子通信网络;美国洛斯阿拉莫斯国家实验室过去几年中则一直在悄悄创建一套辐射状的量子互联网。

  在量子保密通信这场国际化竞争中,我国尽管属于后来者,但起点高,进展快,在应用研究的多个方面已经达到世界先进水平,其中在城域量子通信关键技术方面已达到产业化要求,产业化预备与欧美处于同等水平。

  在量子通信技术的网络化研究方面,中国科大潘建伟小组于2008年建成光量子电话网,实现了“一次一密”加密方式的实时网络通话。

  2012年初,潘建伟小组在安徽省合肥市建成世界上规模最大的46节点量子通信试验网,标志着大容量的量子通信网络技术已取得关键突破;与此同时,新华社和中国科大合作建设的金融信息量子通信验证网在北京开通,在世界上首次实现利用量子通信网络对金融信息的安全传输。

  潘建伟小组还在量子存储和量子中继器技术方面处于国际领先地位,2012年,该小组实现了3.2毫秒的存储寿命及73%的读出效率的量子存储,为目前国际上量子存储综合性能指标最好的实验结果。

  量子卫星助力

  在不久的将来,量子保密通信将有望走向大规模应用

  “量子保密通信技术的实际应用将分三步走:一是通过光纤实现城域量子通信网络;二是通过量子中继器实现城际量子通信网络;三是通过卫星中转实现可覆盖全球的广域量子通信网络。”潘建伟说。

  潘建伟认为,目前,我国量子保密通信技术在城域网上的使用基本成熟,已经可以推广;城际量子通信网络方面,连接北京和上海的千公里光纤量子通信骨干网工程“京沪干线”已正式立项,有望在两三年内投入使用。

  但要实现广域的量子保密通信,还需要借助卫星。这是因为大气对某些特定波长的光子吸收非常小,而且大气层以外几乎是真空,因此量子信息的携带者光子在外层空间传播时几乎没有损耗。如能在技术上实现纠缠光子在穿透整个大气层后仍然存活并保持其纠缠特性,就有望克服光纤传输的弱点,将量子通信的距离大幅度提高,甚至达到覆盖全球的范围。

  可以预想,随着量子通信技术的产业化和广域量子通信网络的实现,在不久的将来,作为保障未来信息社会通信安全的关键技术,量子保密通信将有望走向大规模应用,成为电子政务、电子商务、电子医疗、生物特征传输和智能传输系统等各种电子服务的驱动器,为当今信息化社会提供基础的安全服务和最可靠的安全保障。

  链 接:

  目前,我国广域量子通信网络计划已经开始,潘建伟团队作为国内唯一开展星—地自由空间量子通信实验研究的团队,牵头组织了中科院战略先导专项“量子科学实验卫星”,计划在2016年左右发射,在此基础上将实现高速星地量子通信并连接地面的城域量子通信网络,初步构建我国广域量子通信体系。

  2005年,在世界上第一次实现了13公里自由空间量子通信实验,证实了星—地量子通信的可行性;

  2012年,在青海湖完成百公里自由空间量子态隐形传输与纠缠分发实验;

  2013年,在国际上首次成功实现星地量子密钥分发的全方位地面验证,为实现基于星地量子通信的全球化量子网络奠定了坚实的技术基础。

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