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文 陳根

從貝爾實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始，到硅谷的崛起，再到電子計(jì)算機(jī)和遍布全球的互聯(lián)網(wǎng)，人類(lèi)文明正在一步一步地全面進(jìn)入信息時(shí)代。不過(guò)，目前的常規(guī)通信多采用加密技術(shù)解決安全通信問(wèn)題。但密碼總存在被破譯的可能，尤其是在量子計(jì)算出現(xiàn)以后，采用并行運(yùn)算，對(duì)當(dāng)前的許多密碼進(jìn)行破譯幾乎易如反掌。

可以說(shuō)，如今，信息傳輸，已經(jīng)從“如何傳輸”，走入了“如何安全傳輸”的時(shí)代，而量子通信正是這一段信息革命的直接繼承者——當(dāng)前，基于量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典對(duì)稱密碼算法相結(jié)合的量子通信技術(shù)正在對(duì)計(jì)算、通信領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，并越來(lái)越成為信息時(shí)代的支持力量。

是什么支撐了“量子通信”？

上世紀(jì)中葉，人類(lèi)以量子力學(xué)為基礎(chǔ)開(kāi)始認(rèn)識(shí)和利用微觀物理規(guī)律，推動(dòng)產(chǎn)生了激光器、半導(dǎo)體和原子能等具有劃時(shí)代意義的重大科技突破。進(jìn)入二十一世紀(jì)，量子技術(shù)更是與信息技術(shù)深度融合，第二次“量子革命”正在到來(lái)。作為量子革命的重要組成部分，所謂“量子通信”就是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通訊方式。

當(dāng)前，我們已經(jīng)知道，量子有許多經(jīng)典物理所沒(méi)有的奇妙特性，量子糾纏就是其中突出的特性之一。在了解量子糾纏以前，一個(gè)更為人們所熟悉的現(xiàn)象，其實(shí)是“心靈感應(yīng)”。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是兩個(gè)相距遙遠(yuǎn)的陌生人不約而同地想做同一件事，好像互相的心靈之間能夠感應(yīng)到對(duì)方的存在。

與“心靈感應(yīng)”相類(lèi)似，量子力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，宇宙中任何一個(gè)粒子都有“雙胞胎”，二者即使隔開(kāi)整個(gè)宇宙的距離，也仍然一直保持同步同樣的變化。一對(duì)粒子同步同樣變化的狀態(tài)，就是量子糾纏態(tài)。處于量子糾纏的兩個(gè)粒子，無(wú)論分離多遠(yuǎn)，它們之間都存在一種神秘的關(guān)聯(lián)，只要一個(gè)粒子的狀態(tài)發(fā)生變化，就能立即使另一個(gè)粒子的狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)變化。也就是說(shuō)，我們可以通過(guò)測(cè)量其中一個(gè)粒子的狀態(tài)來(lái)得知另一個(gè)的信息。

量子的另一個(gè)奇妙特性是量子具有測(cè)量的隨機(jī)性和不可克隆的屬性——任何的測(cè)量都會(huì)破壞量子的本來(lái)狀態(tài)。從測(cè)量的隨機(jī)性來(lái)看，在量子力學(xué)里，光子可以朝著某個(gè)方向進(jìn)行振動(dòng)，這就叫作偏振。因?yàn)榱孔盈B加，一個(gè)光子可以同時(shí)處在水平偏振和垂直偏振兩個(gè)量子狀態(tài)的疊加態(tài)。這時(shí)，如果我們拿一個(gè)儀器在這兩個(gè)方向上進(jìn)行測(cè)量，就會(huì)發(fā)現(xiàn)每次測(cè)量都只會(huì)得到其中一個(gè)結(jié)果：要么是水平的，要么是垂直的。測(cè)量的結(jié)果完全隨機(jī)。

并且，在日常的宏觀世界里，一個(gè)物體的速度和位置，一般是可以同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)定的。比如，我們要測(cè)量一架飛機(jī)，雷達(dá)就可以把飛機(jī)的速度、位置都準(zhǔn)確測(cè)定。然而，在量子世界，測(cè)量卻會(huì)破壞或改變量子的狀態(tài)。如果我們把一個(gè)量子的位置測(cè)準(zhǔn)了，它的速度就無(wú)法再測(cè)準(zhǔn)。既然測(cè)量量子的狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)的結(jié)果，那么人們自然也無(wú)法對(duì)一個(gè)不知道其狀態(tài)的量子進(jìn)行復(fù)制。

在量子糾纏的特性以及量子測(cè)量的隨機(jī)性和不可克隆的特性下，量子通信也就保證了安全。在量子密碼共享或量子態(tài)傳遞過(guò)程中，如果有人竊聽(tīng)，它的狀態(tài)就會(huì)因竊聽(tīng)（測(cè)量）發(fā)生改變，密碼接收的誤碼率會(huì)明顯增加，從而引起發(fā)送者和接收者的警覺(jué)，而停止該信道的發(fā)送。

并且，由于量子具有測(cè)量的隨機(jī)性和不可復(fù)制的特性，因此幾乎不可能被破譯，因?yàn)閭鹘y(tǒng)通信的密鑰都是基于非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法，只要是通過(guò)算法加密的，人們就可以通過(guò)計(jì)算進(jìn)行破解。而量子通信則可以做到很安全，不被破譯和竊聽(tīng)，這在數(shù)學(xué)上已經(jīng)獲得了嚴(yán)格的證明。

可以說(shuō)，作為新一代通信技術(shù)，量子通信為信息提供無(wú)法被竊聽(tīng)、無(wú)法計(jì)算破解的絕對(duì)安全保障。

天地一體的廣域量子網(wǎng)絡(luò)

如前所述，我們已經(jīng)知道，量子通信是使用量子態(tài)攜帶所要傳送的信息，并把量子糾纏作為信道，將該量子態(tài)從A地傳送到B第的一種通信方式。另外，量子通信按其所傳輸?shù)男畔⑹墙?jīng)典還是量子又被分為兩類(lèi)，即量子密鑰分發(fā)（QKD）和量子態(tài)隱形傳輸（QT）。

其中，量子密匙分發(fā)就在信息收發(fā)雙方進(jìn)行安全的密匙共享，借助一次一密的加密方式實(shí)現(xiàn)雙方的安全通信。利用量子的不可測(cè)性和不可克隆性，從而實(shí)現(xiàn)信息的不可竊聽(tīng)，這首先需要在收發(fā)雙方間實(shí)現(xiàn)無(wú)法被竊聽(tīng)的安全密鑰共享，之后再與傳統(tǒng)保密通信技術(shù)相結(jié)合完成經(jīng)典信息的加解密和安全傳輸。

量子態(tài)隱形傳輸則是基于量子糾纏態(tài)的分發(fā)與量子聯(lián)合測(cè)量實(shí)現(xiàn)量子態(tài)信息的直接傳輸，在量子信息的轉(zhuǎn)移過(guò)程中不移動(dòng)信息載體本身。同經(jīng)典通信相類(lèi)似，遠(yuǎn)距離量子通信會(huì)出現(xiàn)糾纏減弱。因此，量子態(tài)隱形傳輸還需要建立量子中繼以保證量子通信通暢。

美國(guó)最早開(kāi)始了量子通信的研究，20世紀(jì)末，美國(guó)政府就將量子信息列為“保持國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力”計(jì)劃的重點(diǎn)支持課題，隸屬于政府的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）將量子信息作為三個(gè)重點(diǎn)研究方向之一。在政府的支持下，美國(guó)量子通信產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展也較為迅速。

1989年，IBM公司在實(shí)驗(yàn)室中以10bps的傳輸速率成功實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)量子信息傳輸實(shí)驗(yàn)，雖然傳輸距離只有短短的32m，但卻拉開(kāi)了量子通信實(shí)驗(yàn)的序幕。2003年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署在BBN實(shí)驗(yàn)室、哈佛大學(xué)和波士頓大學(xué)之間建立了DAPRA量子通信網(wǎng)絡(luò)，這也是世界上首個(gè)量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)。

該網(wǎng)絡(luò)最初由6個(gè)量子密鑰分發(fā)（QKD）節(jié)點(diǎn)，后擴(kuò)充至10個(gè)，最遠(yuǎn)通信距離達(dá)到29km。2006年，Los Alamos 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室又基于誘騙態(tài)方案實(shí)現(xiàn)了安全傳輸距離達(dá)107km的光纖量子通信實(shí)驗(yàn)。2009年，美國(guó)政府發(fā)布的信息科學(xué)白皮書(shū)中明確要求，各科研機(jī)構(gòu)協(xié)作開(kāi)展量子信息技術(shù)研究。

2016年4月，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）將“量子躍遷-下一代量子革命”列為六大科研前沿之一。2016年8月，NSF對(duì)6個(gè)跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)給予了 1200萬(wàn)美元資助，用于進(jìn)一步推動(dòng)量子安全通信技術(shù)的發(fā)展。2016年9月，NSF發(fā)布2017年研究與創(chuàng)新新興前沿項(xiàng)目（EFRI）的招標(biāo)文件，著重解決基礎(chǔ)工程挑戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)芯片級(jí)的設(shè)備和系統(tǒng)，為實(shí)用化的量子存儲(chǔ)和中繼器的研制做準(zhǔn)備，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的廣域量子通信和應(yīng)用。

過(guò)令人欣慰的是，今天中國(guó)在量子通信領(lǐng)域已經(jīng)毫無(wú)疑問(wèn)地達(dá)到了世界頂尖水平，尤以中科大的潘建偉、郭光燦等小組最為有名。2016年，中國(guó)發(fā)射了世界首顆量子通信衛(wèi)星“墨子號(hào)”，成為轟動(dòng)一時(shí)的大新聞。“墨子號(hào)”首次實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星與地面之間量子通信連接。

不過(guò)，發(fā)射衛(wèi)星只是一個(gè)起點(diǎn)，在“宏偉量子大廈”中，量子“京滬干線”隨后也飛速搭建了起來(lái)。2017年世界首條量子保密通信干線——“京滬干線”正式開(kāi)通，量子“京滬干線”總長(zhǎng)2000多千米，有望在2030年左右，能建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)，并在量子計(jì)算領(lǐng)域有所作為。

可以說(shuō)，目前，在市場(chǎng)應(yīng)用不斷突破下，天地一體的廣域量子網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)指日可待。

量子通信是經(jīng)典通信代替嗎？

目前，隨著量子通信的發(fā)展與進(jìn)步，保密措施變得越來(lái)越復(fù)雜、越來(lái)越可靠。人類(lèi)也在致力于將量子保密通信向更遠(yuǎn)距離和更大規(guī)模的廣域網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。

比如，量子通信就對(duì)軍事、國(guó)防、金融等領(lǐng)域的信息安全有著重大的潛在應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。在國(guó)防和軍事領(lǐng)域，量子通信能夠應(yīng)用于通信密鑰生成與分發(fā)系統(tǒng)，向未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)覆蓋區(qū)域內(nèi)任意兩個(gè)用戶分發(fā)量子密鑰，構(gòu)成作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)機(jī)動(dòng)的安全軍事通信網(wǎng)絡(luò)。量子通信不僅可用于軍事、國(guó)防等領(lǐng)域的國(guó)家級(jí)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(xiǎn)、銀行、工商、地稅、財(cái)政等領(lǐng)域和部門(mén)。

此外，量子通信還能夠應(yīng)用于信息對(duì)抗，改進(jìn)軍用光網(wǎng)信息傳輸保密性，提高信息保護(hù)和信息對(duì)抗能力；并能夠應(yīng)用于深海安全通信，為遠(yuǎn)洋深海安全通信開(kāi)辟了嶄新途徑；利用量子隱形傳態(tài)以及量子通信絕對(duì)安全性、超大信道容量、超高通信速率、遠(yuǎn)距離傳輸和信息高效率等特點(diǎn)，將建立滿足軍事特殊需求的軍事信息網(wǎng)絡(luò)，為國(guó)防和軍事贏得先機(jī)。

而在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，量子通信則可用于金融機(jī)構(gòu)的隱匿通信等工程以及對(duì)電網(wǎng)、煤氣管網(wǎng)和自來(lái)水管網(wǎng)等重要基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)視和通信保障。

不過(guò)，值得一提的是，量子通信雖然具有革命性的力量，但卻并不是為了取代傳統(tǒng)通信而生。量子通信和傳統(tǒng)通信是兩種不同的通信形式，量子通信是為了讓傳統(tǒng)的數(shù)字通信變得更安全。

實(shí)際上，無(wú)論是量子密鑰分發(fā)，還是量子隱形傳態(tài)，都離不開(kāi)一個(gè)需要經(jīng)典通信的“經(jīng)典信道”。對(duì)于量子密鑰分發(fā)來(lái)說(shuō)，收發(fā)雙方需要通過(guò)經(jīng)典信道比對(duì)測(cè)量方式，從隨機(jī)的測(cè)量方式中挑選出一樣的那部分，只有這部分的量子測(cè)量出的結(jié)果才能作為無(wú)條件安全的量子密鑰使用。

對(duì)于量子隱形傳態(tài)來(lái)說(shuō)，收發(fā)雙方同樣需要通過(guò)經(jīng)典信道比對(duì)測(cè)量方式，這樣接收方才能做出正確的操作，正確還原出傳輸?shù)牧孔颖忍?。量子隱形傳態(tài)利用的是量子糾纏，這個(gè)經(jīng)典信道的存在使得單純靠量子糾纏無(wú)法傳送量子比特，因此超過(guò)光速的量子糾纏無(wú)法超光速傳遞信息，這樣就不會(huì)違反相對(duì)論。

可以說(shuō)，量子通信其實(shí)是經(jīng)典通信之外的一個(gè)新戰(zhàn)場(chǎng)，和一個(gè)新的發(fā)展機(jī)遇。對(duì)于通信產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，經(jīng)典通信就好比是煤炭燃燒的化學(xué)能，量子通信就好比是電能。大部分電能離不開(kāi)化學(xué)能，而量子通信也離不開(kāi)經(jīng)典通信。

并且，電能還將對(duì)化學(xué)能有所繼承和發(fā)展，使得電能可以應(yīng)用在更多的地方，更好地去控制機(jī)器，并且能夠處理和傳輸信息。而量子通信對(duì)經(jīng)典通信的繼承和發(fā)展，一方面，就是讓經(jīng)典通信變得更安全，信息不會(huì)被半路截獲；另一方面，量子比特還可以突破經(jīng)典數(shù)字通信的限制，讓信息傳輸變得更高效。

說(shuō)到底，量子通信的魅力就在于其可以突破現(xiàn)有的經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限，這在缺乏信息安全的當(dāng)下，是極大的安全感。從理論走向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，量子通信，正在升級(jí)信息時(shí)代，引發(fā)一場(chǎng)關(guān)于通信的技術(shù)變革。