美国、欧洲、俄罗斯都想做的通信干线,中国最先建成了
2017/9/18 中国科学院北京综合研究中心

     2017-09-07 中国科学院北京综合研究中心

    

     作为地域广阔的文明古国,中国的通信技术一直走在世界的前列,在通信干线的建设上也不遗余力,不仅创造出长城、秦直道、驿站这类物质文化遗产,还留下了孟姜女哭长城、烽火戏诸侯、红尘一骑妃子笑等典故,供后人缅怀前尘。

    

     人类通信技术的发展,首要需要解决的问题是“快”,所以烽火狼烟用于军事信息传递就十分适宜,但是可传递的信息内容也十分有限,于是古人开始建立驿站驿道,训练专人来运送文书,保证信息传递“快”而“准”,再后来人们发现,驿站制度也有缺陷,那就是信息安全得不到保证,所以增加了火漆密封、虎符制度等,以保证公文在传递过程中的保密性。然而这样的办法在国泰民安的时候还能起一定作用,一旦国家控制力减弱,基本上形同虚设。直到近代,电报技术建立后,人们才通过密码电报等兼顾了“快”、“准”、安全等通信要求。

    

     然而这种形式的通信也并非万无一失,因为传统的加密系统,不管是对密钥技术还是公钥技术,其密文的安全性完全依赖于密钥的秘密性。密钥必须是由足够长的随机二进制串组成,一旦密钥建立起来,通过密钥编码而成的密文就可以在公开信道上进行传送。然而为了建立密钥,发送方与接收方必须选择一条安全可靠的通信信道,但由于截收者的存在,从技术上来说,真正的安全很难保证,而且密钥的分发总是会在合法使用者无从察觉的情况下被消极监听。尤其是现在商业网络上常用的非对称秘钥(即发送方秘钥公开,而接收方秘钥保密)其安全性是基于大数因式分解这样一类不易计算的单向函数,随着计算机计算能力的不断发展,尤其是量子计算机研究的突破,这类秘钥的破解只是时间问题,传统的通信保密机制可以说是危若累卵。

    

     那么是否存在一种通信方式使得发送方和接收方能够知晓通信内容被监听了呢?答案是肯定的,这种方式就是量子通信。“量子”不是一种粒子,而是微观世界的一种性质:物质或者粒子的能量和其他一些性质都倾向于不连续的变化。例如,当我们把通常光源发出的一束光通过衰减片进行反复衰减,其能量不断减弱,最后就会成为一份一份不连续的能量颗粒,这样不可分割的最小能量颗粒被称为光量子。也就是说,光量子是构成光的最基本单元,是光能的最基本携带者,不可分割。量子通信传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息(量子比特)。按照常理,信息的传播需要载体,人与人的对话需要通过声音来传播,手机与基站之间要通过电磁波来传输信号,互联网的信息传递也需要在光缆中传输的光信号。而在量子世界里,在纠缠光子的帮助下,量子态隐形传输可以实现无需载体的信息传递。

     量子通信内涵很广泛,量子隐形传态、量子保密通信、量子密集编码等都属于量子通信范畴,而量子保密通信是目前最接近实用化的量子信息技术。这一技术主要利用了量子理论的几个基本原理:

     1.量子的不可复制性和不确定性(测不准性)。如果一枚旋转着的陀螺是量子世界中一个物体,一旦你要复制它,势必要对它进行测量,这种行为就会改变它的运动状态。也就是说,任意量子的状态,在受到复制或测量时,都会发生变化。换个角度说,量子一旦被测量过,就不再是原来的那个量子了。所以,利用量子的这一特性制作的密码,从理论上讲是一种最为安全的密码。一个量子物质的传送过程就像光在光纤里传输过程一样,如果一个偷听者想在某一个地方偷听信息,或者将该信息内容复制下来,这就是一种测量行为,这种测量对量子体系来说意味着对整个体系的破坏,其结果是被测量的信息将全部消失。

     2.量子纠缠态。 在量子力学中,有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系,不管它们被分开多远,只要一个粒子发生变化就能立即影响到另外一个粒子,即两个处于纠缠态的粒子无论相距多远,都能“感知”和影响对方的状态,这种现象被称为量子纠缠。而量子通信就是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。

    

     量子密码为两个遥远的用户之间建立随机、保密且无条件安全的量子密钥提供了一个强有力的工具。然而,由于实际物理设备的固有缺陷(如通信光纤传输损耗、探测器固有暗计数、单光子源的尚未实用化等),给实际系统中的量子密钥生成率和最大安全传输距离带来了局限。因此,各国在科研攻关的同时,也在积极部署量子通信网络建设:2014年全球最大的独立科技研发机构美国Battelle公司提出了商业化的广域量子通信网络规划,计划在未来建立连接美国主要城市、总长超万公里的环美国量子通信网络;欧洲科学家团体提出了以维也纳为中心,西至爱丁堡,东至雅典,北至奥斯陆,南至里斯本的多横多纵的光纤量子骨干网计划;韩国SK电讯提出了环韩国量子通信干线的规划;俄罗斯最大的银行之一Vneshekonombank也计划投资量子通信。而我国在这一领域的研发和建设可以说抢得了先机。

     2008年底,潘建伟的科研团队成功研制了基于诱骗态的光纤量子通信原型系统,在合肥成功组建了世界上首个3节点链状光量子电话网,成为国际上报道的绝对安全的实用化量子通信网络实验研究的两个团队之一。2009年9月,潘建伟的科研团队正是在3节点链状光量子电话网的基础上,建成了世界上首个全通型量子通信网络,首次实现了实时语音量子保密通信。这一成果在同类产品中位居国际先进水平,标志着中国在城域量子网络关键技术方面已经达到了产业化要求。

     今年9月世界第一条量子保密通信骨干线路——中国国家量子保密通信“京沪干线”通过总技术验收,具备开通条件。这一项目突破了高速量子密钥分发、高速高效率单光子探测、可信中继传输和大规模量子网络管控等系列工程化实现的关键技术,搭建了一条贯通北京、济南、合肥、上海的全长2000余公里的量子保密通信骨干线路。先后开展了远程高清量子保密视频会议系统和其他多媒体跨域互联应用研究,完成了金融、政务领域的远程或同城数据灾备系统、金融机构数据采集系统等应用示范。

    

     相信在不久的将来,通信将真的变成一件可以安全无虞的事,而我们每个人都能基于这种安全获得稳稳的安全感和幸福感。

    

     本期编辑:冯凯悦

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