近日，我國(guó)首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星已完成總裝，將于7月?lián)駲C(jī)發(fā)射。另外，今年下半年，“京滬干線”大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)即將建成。這意味著，一個(gè)天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)已有雛形，在量子通信領(lǐng)域的技術(shù)儲(chǔ)備乃至產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程上，中國(guó)科研力量走在世界前列。
建設(shè)中的量子通信網(wǎng)絡(luò)并非科幻小說(shuō)中的“超光速通信”或者“瞬間移動(dòng)”。本質(zhì)上，中國(guó)科學(xué)家們構(gòu)建的量子通信網(wǎng)絡(luò)，就是給傳統(tǒng)通信方式加上量子密鑰，“給數(shù)據(jù)掛上一把牢不可破的鎖”。
量子保密通信“京滬干線”項(xiàng)目工程總師、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陳宇翱介紹，未來(lái)用戶或許能選擇提供量子密鑰服務(wù)的通信運(yùn)營(yíng)商、銀行、互聯(lián)網(wǎng)公司，以個(gè)人身份使用這種“無(wú)條件安全”級(jí)別的信息傳輸，而“量子衛(wèi)星”則能夠發(fā)揮中轉(zhuǎn)站的作用，幫我們實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子保密通信，構(gòu)建天地一體化量子通信體系。
1.“鬼魅般的超距作用”
量子通信的理論來(lái)源是量子力學(xué)。20世紀(jì)早期，普朗克、海森堡等物理學(xué)家提出并豐富了量子相關(guān)理論，由此誕生了現(xiàn)代物理學(xué)的重要理論基礎(chǔ)——量子力學(xué)。
在經(jīng)典物理學(xué)中，可以用質(zhì)點(diǎn)的坐標(biāo)和動(dòng)量精確地描述量子的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)知道了加速度，甚至可以預(yù)測(cè)質(zhì)點(diǎn)接下來(lái)任意時(shí)刻的位置和動(dòng)量，從而描繪出軌跡。但在微觀物理學(xué)中，一個(gè)粒子不可能同時(shí)具有確定的位置和動(dòng)量，因而也就不能用軌跡來(lái)描述粒子的運(yùn)動(dòng)。這即是海森堡提出的“不確定性原理”。
一開(kāi)始，不少學(xué)者并不能接受該理論，愛(ài)因斯坦直言“上帝不擲骰子”。1935年，愛(ài)因斯坦（Einstein）、波多爾斯基（Podolsky）、羅森（Rosen）設(shè)計(jì)了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，試圖證明量子力學(xué)的錯(cuò)誤。后人用他們姓氏的首字母合稱(chēng)為EPR悖論。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)副研究員袁嵐峰講解了這個(gè)實(shí)驗(yàn)：愛(ài)因斯坦設(shè)計(jì)了兩個(gè)相互糾纏的粒子，它們的某個(gè)性質(zhì)（如電子的自旋角動(dòng)量、光子的偏振）相加等于零，而單個(gè)粒子的該性質(zhì)不確定。然后你把這兩個(gè)粒子在空間上分開(kāi)很遠(yuǎn)，然后測(cè)量粒子A的性質(zhì)，假設(shè)你測(cè)得A是“上”，若量子力學(xué)成立，那么你就立刻知道了B現(xiàn)在是“下”。
“問(wèn)題是，既然A和B已經(jīng)離得非常遠(yuǎn)了，B是怎么知道A發(fā)生了變化，然后發(fā)生相應(yīng)的變化的？愛(ài)因斯坦等認(rèn)為A和B之間出現(xiàn)了‘鬼魅般的超距作用’，信息傳遞的速度超過(guò)光速，違反相對(duì)論。所以，愛(ài)因斯坦認(rèn)為量子力學(xué)肯定有錯(cuò)誤�！痹瑣狗褰庾x道。
但事實(shí)上，隨著科技的進(jìn)步，1982年，法國(guó)物理學(xué)家艾斯佩特（Alain Aspect）成功完成了EPR實(shí)驗(yàn)，符合量子力學(xué)的預(yù)言，微觀粒子之間的確存在著“量子糾纏”的關(guān)系。袁嵐峰介紹，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果否定的只是愛(ài)因斯坦對(duì)量子力學(xué)的理解方式，但并不違反相對(duì)論，因?yàn)檫@里沒(méi)有信息傳遞。
在物理學(xué)家不斷增加對(duì)量子力學(xué)認(rèn)知的同時(shí)，密碼學(xué)家也意識(shí)到，利用量子的特性，人類(lèi)有可能發(fā)展出一種永不陷落的安全體系。20世紀(jì)60年代末，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)研究生斯蒂芬·威斯納（Stephen Wiesner）提出了在今天看來(lái)仍十分超前的量子貨幣概念。
量子貨幣的理論基礎(chǔ)是“海森堡不確定性原理”及其推論“不可克隆定理”。用通俗的話解釋?zhuān)褪窃阝n票上放置“囚禁”光子的裝置，通過(guò)檢測(cè)光子的偏振方向來(lái)驗(yàn)證鈔票真?zhèn)巍？上辜{的想法過(guò)于超前，多家學(xué)術(shù)期刊拒絕了他的論文。但威斯納的大學(xué)同學(xué)，在IBM公司托馬斯·J·梅森實(shí)驗(yàn)室工作的查爾斯·本內(nèi)特（Charles Bennett）很欣賞這一設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上，于1984年提出了利用光子偏振態(tài)編碼傳送密鑰信息的量子密鑰分發(fā)協(xié)議——BB84協(xié)議。自此，量子密碼開(kāi)始受到學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注。
1993年，根據(jù)量子糾纏關(guān)系，本內(nèi)特等6位科學(xué)家發(fā)表題為《經(jīng)由經(jīng)典和EPR通道傳送未知量子態(tài)》的論文，正式提出量子隱形傳態(tài)的構(gòu)想。這一構(gòu)想被認(rèn)為是量子通信的基礎(chǔ)。
1997年，奧地利科學(xué)家安東·蔡林格（Anton Zeilinger）在室內(nèi)首次完成了量子隱形傳態(tài)的原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，成為量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的經(jīng)典之作。中科院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉當(dāng)時(shí)正在奧地利留學(xué)，跟隨導(dǎo)師蔡林格參與了整個(gè)實(shí)驗(yàn)。
回國(guó)后，潘建偉在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)組建了量子信息實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)十余年耕耘，目前潘建偉團(tuán)隊(duì)已成為世界范圍內(nèi)量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊。
2.絕對(duì)安全的密碼體系
科幻小說(shuō)《三體》中，智子能夠進(jìn)行超光速即時(shí)通信，作者給出的理論依據(jù)就是量子糾纏。不少報(bào)道解讀量子通信的前景時(shí)會(huì)提及超光速通信，但實(shí)際上，這更多是一種誤讀。
在中國(guó)科學(xué)院從事量子物理研究的博士黎陽(yáng)（化名）介紹，現(xiàn)有科學(xué)理論框架里，量子通信不可能突破光速。最重要的原因是，量子領(lǐng)域的各項(xiàng)應(yīng)用中，都有一步是用經(jīng)典信道傳輸一個(gè)經(jīng)典信息。“所謂經(jīng)典信道，就是我們傳統(tǒng)的通信方式，像電話、電郵、傳真等等�！倍�(jīng)典信道的信息傳遞，仍然受到光速的限制。從事密碼學(xué)研究的北京郵電大學(xué)副教授王勵(lì)成也強(qiáng)調(diào)：“量子密碼通信離不開(kāi)經(jīng)典通信�！�
換言之，在目前的理論框架下，量子通信實(shí)際上是為現(xiàn)有的通信方式增加一把可靠的“量子鎖”，而非取而代之。“各國(guó)之所以投錢(qián)支持這項(xiàng)研究，主要也是看中其保密性。”黎陽(yáng)說(shuō)。
潘建偉在多個(gè)場(chǎng)合做過(guò)量子通信“無(wú)條件安全”的表述。而學(xué)界更習(xí)慣用“信息理論安全”（Information theoretic security）來(lái)形容其安全性�！靶畔⒗碚摪踩笔侵福孔油ㄐ诺陌踩酝耆且再Y訊理論為基礎(chǔ)的，這種安全性要求即使攻擊者有無(wú)限的計(jì)算能力也不能破解它。
而現(xiàn)有的密碼體系，是通過(guò)增加計(jì)算復(fù)雜性來(lái)保證安全。例如應(yīng)用最廣泛的密碼算法RSA，用的是兩個(gè)非常大的質(zhì)數(shù)的乘積來(lái)建立密鑰。眾所周知，對(duì)兩個(gè)大質(zhì)數(shù)乘積進(jìn)行因式分解，除暴力窮舉外并無(wú)更好方式。資料顯示，用現(xiàn)有最快的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)對(duì)一個(gè)500位的RSA密鑰進(jìn)行窮舉破解，耗時(shí)將達(dá)到百億年——幾乎等于不可破解。
但這個(gè)安全堡壘已不再牢固，量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)打破了這種安全：在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中概念里，每個(gè)比特只能有2種狀態(tài)——0或1。而在量子計(jì)算機(jī)中，由于量子疊加效應(yīng)，一個(gè)量子比特可以同時(shí)擁有兩種狀態(tài)，這就意味著，N個(gè)量子比特可同時(shí)存儲(chǔ)和處理2的N次方個(gè)數(shù)據(jù)。
數(shù)量級(jí)的優(yōu)勢(shì)，將使得RSA密鑰在量子計(jì)算機(jī)面前變得不堪一擊�！傲孔佑�(jì)算機(jī)一旦普及，將完全改變現(xiàn)有密碼體系。”黎陽(yáng)提到，屆時(shí)，無(wú)論安全系統(tǒng)、金融系統(tǒng)還是個(gè)人隱私，都必須強(qiáng)制升級(jí)，否則將徹底陷入混亂。
量子密碼則能夠抵御量子計(jì)算機(jī)的攻擊�！坝捎谧鳛樾畔⑤d體的單光子不可分割、量子狀態(tài)不可克隆，可以實(shí)現(xiàn)抵御任何竊聽(tīng)的密鑰分發(fā)，進(jìn)而能保證用其加密的內(nèi)容不可破譯�！迸私▊ソ忉尫Q(chēng)。
3.天地一體的量子網(wǎng)絡(luò)
學(xué)界普遍認(rèn)為，量子隱形傳態(tài)尚在探索階段，而量子密鑰分發(fā)卻是已經(jīng)投入實(shí)用的量子信息技術(shù)。中國(guó)預(yù)計(jì)于今年7月發(fā)射的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星也將對(duì)量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)。
在接受《自然》雜志采訪時(shí)，潘建偉表示，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的第一個(gè)目標(biāo)是進(jìn)行衛(wèi)星和北京地面站之間的高速星地量子密鑰分發(fā)試驗(yàn)。還將嘗試通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行中繼，看是否能建立北京和維也納之間的聯(lián)系。
另外，衛(wèi)星還將進(jìn)行距離達(dá)1200公里的遠(yuǎn)距離量子糾纏試驗(yàn)，并在衛(wèi)星和西藏阿里之間進(jìn)行量子隱形傳態(tài)試驗(yàn)。
潘建偉也提及了他星際試驗(yàn)的雄心：“在未來(lái)，我們希望借助嫦娥計(jì)劃，看在地球月球之間能否實(shí)現(xiàn)量子糾纏。我們希望將量子衛(wèi)星送到地月間拉格朗日點(diǎn)�！�
另外，接受《知識(shí)分子》采訪時(shí)，潘建偉則談到了這次衛(wèi)星試驗(yàn)可能對(duì)基礎(chǔ)研究的貢獻(xiàn)：對(duì)量子糾纏而言，它在宏觀的距離里面，會(huì)不會(huì)有什么變化，會(huì)不會(huì)受到引力的干擾？“（通過(guò)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星）我們就可以對(duì)物理學(xué)的一些基本問(wèn)題做一些檢驗(yàn)，如果做得比較好，有可能發(fā)現(xiàn)一些新的物理�！�
據(jù)介紹，這次將要發(fā)射的衛(wèi)星定位于“試驗(yàn)”，在軌設(shè)計(jì)壽命為兩年。之后將發(fā)射多顆衛(wèi)星，以最終組成全球量子通信網(wǎng)絡(luò)。
相較于量子衛(wèi)星的實(shí)驗(yàn)性，目前來(lái)看，量子保密通信“京滬干線”的即將建成無(wú)疑更具實(shí)用性。
據(jù)介紹，“京滬干線”項(xiàng)目是指國(guó)家發(fā)改委立項(xiàng)的“京滬干線”大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)工程，從北京出發(fā)，經(jīng)濟(jì)南、合肥，到達(dá)上海，全長(zhǎng)2000余公里，目前已經(jīng)完成了約1500公里，預(yù)計(jì)年底能正式交付使用。
在此前，潘建偉團(tuán)隊(duì)在合肥、濟(jì)南建設(shè)的量子通信試驗(yàn)網(wǎng)已經(jīng)投入使用。2012年底，潘建偉團(tuán)隊(duì)的量子通信裝備在北京投入常態(tài)運(yùn)行�！熬删�”各節(jié)點(diǎn)的城域網(wǎng)應(yīng)用經(jīng)過(guò)幾年摸索，已趨成熟。
基于光纖信道的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)最大的缺陷在于通信距離過(guò)短。在公開(kāi)的試驗(yàn)中，量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的傳輸距離世界紀(jì)錄就是由潘建偉團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造——200公里。潘建偉在2014年接受采訪時(shí)曾說(shuō)，“量子保密通信在城域網(wǎng)上的使用基本成熟，但要實(shí)現(xiàn)廣域的量子保密通信，還需要借助衛(wèi)星。”
但其中涉及的技術(shù)難關(guān)并不少，一個(gè)問(wèn)題是，糾纏狀態(tài)的量子能否順利穿越大氣層并保持其糾纏特性。這也是此次衛(wèi)星試驗(yàn)需要解決的問(wèn)題。
4.距離民用有多遠(yuǎn)？
根據(jù)已建成的合肥、濟(jì)南等地量子城域網(wǎng)來(lái)看，量子保密通信的主要客戶多來(lái)自對(duì)安全性有較高要求的政府、金融機(jī)構(gòu)、科研機(jī)構(gòu)，例如北京農(nóng)商銀行、山東銀監(jiān)局、安徽小貸監(jiān)管平臺(tái)等。
在國(guó)慶60周年閱兵期間，潘建偉團(tuán)隊(duì)搭建的“量子通信熱線”，也被用于重要信息傳送保障。
潘建偉團(tuán)隊(duì)成員、“京滬干線”項(xiàng)目工程總師、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陳宇翱介紹，未來(lái)用戶或許能選擇提供量子密鑰服務(wù)的通信運(yùn)營(yíng)商、銀行、互聯(lián)網(wǎng)公司，以個(gè)人身份使用這種“無(wú)條件安全”級(jí)別的信息傳輸。
在今年全國(guó)兩會(huì)上，潘建偉給出了10年的量子通信民用普及時(shí)間：“希望通過(guò)10年左右的努力，將來(lái)每個(gè)人在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行的轉(zhuǎn)款、支付等消費(fèi)行為，都能夠享受到量子通信的安全保障�！�
多位行業(yè)觀察者告訴記者，量子通信的民用前景其實(shí)取決于量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展�！安煌谛袠I(yè)用戶，對(duì)于普通消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，100%的安全和99.99%的安全其實(shí)沒(méi)有多大差別。在量子計(jì)算機(jī)發(fā)展到足以輕易攻破傳統(tǒng)加密算法前，大多數(shù)人其實(shí)不需要量子通信。”
包括潘建偉在內(nèi)的絕大多數(shù)專(zhuān)家估計(jì)，最樂(lè)觀情況下，量子計(jì)算機(jī)也還需10—20年時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。
但從另一個(gè)角度說(shuō)，如果量子通信技術(shù)成本降到足夠低，我們也沒(méi)有理由不接受更先進(jìn)的安全保障。2015年的一次講座上，潘建偉分析了量子通信的民用前景，他提到，量子保密通信的終端機(jī)，五年間成本就從百萬(wàn)元下降到一二十萬(wàn)元左右，降幅近10倍。潘建偉估計(jì)，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，終端設(shè)備還可能降至萬(wàn)元以下，進(jìn)入家庭是完全可能的。（記者 王詩(shī)堃）