出品：科普中國(guó)
作者：欒春陽(yáng)（清華大學(xué)物理系）
監(jiān)制：中國(guó)科普博覽
當(dāng)提及量子密鑰分發(fā)（Quantum Key Distribution, QKD）時(shí)，我們進(jìn)入了一個(gè)令人驚嘆的科學(xué)領(lǐng)域，它構(gòu)建在量子力學(xué)的基礎(chǔ)上，以絕對(duì)安全性為目標(biāo)，同時(shí)依賴于量子糾纏態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。在量子密鑰分發(fā)方案中，量子糾纏態(tài)是關(guān)鍵的元素，扮演著保密通信的核心角色。
量子密鑰分發(fā)的基本原理涉及通信雙方的合作，通過(guò)量子態(tài)的制備和測(cè)量，安全地生成和共享密鑰。這個(gè)過(guò)程不僅能夠確保密鑰的保密性，還能夠監(jiān)測(cè)是否有任何竊聽者試圖干擾通信。
量子密鑰分發(fā)方案被認(rèn)為是理論上絕對(duì)安全的通信方法，因?yàn)樗蕾囉诹孔恿W(xué)的基本原理，而不依賴于計(jì)算復(fù)雜性。這意味著無(wú)論未來(lái)的計(jì)算技術(shù)有多強(qiáng)大，都無(wú)法破解通過(guò)量子密鑰分發(fā)方案生成的密鑰。
經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展，量子密鑰分發(fā)方案已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室并開始工程化建設(shè),為我們的現(xiàn)代保密通信張開一面強(qiáng)大的“量子之盾”。一些國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)在城市間的通信網(wǎng)絡(luò)中部署了量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，以提高通信的安全性。
量子密鑰——用光來(lái)保護(hù)信息安全
一般而言，量子密鑰分發(fā)方案要想實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的保密通信，就需要滿足兩個(gè)要求。
第一個(gè)是，需要采用“一次一密”的加密方式，保證每次通信都需要生成全新的密鑰；第二個(gè)是，每次生成的密鑰不能再是普通的密鑰，而是需要采用量子力學(xué)的基本原理才能制備。
因此，量子密鑰分發(fā)方案需要有兩個(gè)通信信道，其中一個(gè)是用于傳輸加密信息的經(jīng)典信道，而另外一個(gè)則是用于分發(fā)解密信息的量子信道，而這種特殊的密鑰也被稱為“量子密鑰”。
量子密鑰分發(fā)方案示意圖
（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）
那么問(wèn)題來(lái)了，如何在實(shí)驗(yàn)上制備出合格的“量子密鑰”呢？
其實(shí)，光就是一種近乎完美的量子密鑰。這是因?yàn)椋獾膫鞑ニ俣葮O快，可以滿足即時(shí)通信的要求，除此之外，單個(gè)光子還可以被制備出特定的狀態(tài)，用以編碼不同的信息，形成可以被共享的量子密鑰。
因此，單個(gè)光子可以作為量子密鑰，在量子信道中實(shí)現(xiàn)快速的信息傳遞。
想要獲取大量的光子很簡(jiǎn)單，然而，制備出單個(gè)光子并不是一件輕松的事情。這是因?yàn)?strong>單個(gè)光子的能量極低，大約只有3×10^-19焦耳的能量。
而一支功率為10瓦的普通手電筒，僅僅只發(fā)出一秒鐘的光束，就大約會(huì)有3×10^19個(gè)光子。因此，要想每次只制備出一個(gè)光子，就需要十分特殊的單光子源才能實(shí)現(xiàn)。
更難的是，正是因?yàn)閱蝹€(gè)光子的能量極低，而且容易受到空氣等介質(zhì)的吸收并發(fā)生損耗，從而極大地限制了單個(gè)光子的有效傳播距離。
因此，量子密鑰分發(fā)方案采用單光子進(jìn)行密鑰傳輸，對(duì)環(huán)境有著比較高的要求。
然而，我們的科學(xué)家和工程師卻發(fā)揮出超強(qiáng)的聰明才智，帶著光子實(shí)現(xiàn)“入地”和“上天”，從而實(shí)現(xiàn)了量子保密通信的工程化應(yīng)用。
光子“入地”——基于光纖進(jìn)行量子保密通信
想象一下，如果要實(shí)現(xiàn)北京和上海之間的保密通信，那么單個(gè)光子不僅需要跨越2000多公里的距離，而且不能丟失密鑰信息。
打個(gè)比方，單個(gè)光子就像一輛裝載密鑰信息的小汽車，如果光子只在空氣中傳播的話，就像小汽車只在崎嶇的普通土路行駛，那么小汽車的燃油會(huì)很快耗盡。
因此，科學(xué)家和工程師們受到高速公路的啟發(fā)，決定也給單個(gè)光子修建一條專屬的光纖通道，來(lái)實(shí)現(xiàn)通信雙方之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的密鑰傳輸。
其實(shí)早在1993年，來(lái)自英國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)就利用單個(gè)光子作為密鑰，在光纖中實(shí)現(xiàn)了相距10公里的量子密鑰分發(fā)。
隨后在2004年，來(lái)自日本的研究團(tuán)隊(duì)同樣采用光纖通道，將量子密鑰分發(fā)的距離提升至150公里。
而在2008年，來(lái)自歐盟的12個(gè)國(guó)家的研究小組在維也納共同成功建造了歐洲量子通信網(wǎng)絡(luò)（SECOQC），并且可供8個(gè)用戶進(jìn)行量子保密通信。
而在基于光纖傳輸?shù)牧孔颖Ｃ芡ㄐ蓬I(lǐng)域，中國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)也同樣取得一系列可喜的進(jìn)展。
在2005年，來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的郭光燦研究團(tuán)隊(duì)就采用光纖通道，在北京和天津之間實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)125公里的量子保密通信。隨后在2012年，來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉研究團(tuán)隊(duì)也合肥市內(nèi)建造了“合肥城域量子通信實(shí)驗(yàn)示范網(wǎng)”，可供數(shù)十個(gè)用戶進(jìn)行量子保密通信。
合肥城域量子通信實(shí)驗(yàn)示范網(wǎng)
然而，由于單個(gè)光子的光纖傳輸仍然存在一定的損耗，因此單根光纖有效傳輸?shù)臉O限距離一直很難突破上千公里。
這就像裝載密鑰的小汽車在京滬高速上行駛，然而自身的燃油無(wú)法支撐小汽車跑完全程，因此就需要高速路上的服務(wù)站提供加油等服務(wù)。
同樣的道理，單個(gè)光子在超遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臅r(shí)候也需要中繼站，來(lái)提供不斷的“接力”。
因此，要想實(shí)現(xiàn)北京和上海之間長(zhǎng)達(dá)2000多公里的量子保密通信，就需要利用中繼站進(jìn)行“接力”，從而保證單光子能夠順利完成量子密鑰的分發(fā)。
“京滬干線”項(xiàng)目示意圖
（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院）
就在2017年，經(jīng)過(guò)中國(guó)科學(xué)院等多家機(jī)構(gòu)長(zhǎng)達(dá)4年的通力合作，從北京到上海的“光纖量子通信骨干網(wǎng)工程”終于通過(guò)驗(yàn)收，并且開始了商業(yè)運(yùn)營(yíng)，這條量子保密通信也被形象地稱為“京滬干線”。
在“京滬干線”內(nèi)部，沿途共配套32個(gè)中繼站進(jìn)行“接力”，并且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隔離等保密方式來(lái)實(shí)現(xiàn)中繼站內(nèi)的信息安全。
1000多公里距離下，量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)成碼率結(jié)果圖
（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[2]）
當(dāng)然，如果能夠不使用中繼站的話，這樣量子保密通信不僅僅可以降低建造的成本，還可以從根本上杜絕中繼站被入侵的隱患。就在2023年5月，來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院等單位的研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)通力合作，在沒(méi)有中繼站的情況下，在光纖中實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)1002公里的量子密鑰分發(fā)。
這意味著，中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)不僅僅創(chuàng)下了在光纖中無(wú)中繼“接力”的最遠(yuǎn)量子密鑰分發(fā)的世界紀(jì)錄，還有望提供新一代的城際量子保密通信的可靠方案。
光子“上天”——量子通信衛(wèi)星
其實(shí)，單個(gè)光子除了可以“入地”（用光纖傳輸）來(lái)提升量子密鑰分發(fā)的距離，還可以“上天”（用量子通信衛(wèi)星）來(lái)打破地表空間的限制，從而實(shí)現(xiàn)星地之間的量子保密通信。
可能有人覺(jué)得，使用量子通信衛(wèi)星讓單個(gè)光子“上天”是不可思議的事情。
其實(shí)，地球表面的空氣主要在距地面百公里的范圍內(nèi)，并且隨著高度的增加而逐漸稀薄。而在空氣極其稀薄的衛(wèi)星軌道空間內(nèi)，單個(gè)光子幾乎不會(huì)受到空氣的吸收等影響而發(fā)生衰減。
因此，只要在天氣狀態(tài)良好的夜晚環(huán)境下，就有可能將單個(gè)光子穿過(guò)地表空氣射向量子通信衛(wèi)星，再由量子通信衛(wèi)星進(jìn)行中繼“接力”，最終將單個(gè)光子再次返回并穿過(guò)地表空氣，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的量子密鑰分發(fā)。怎么樣，是不是有點(diǎn)科幻電影的味道了？
“墨子號(hào)”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)達(dá)7600多公里的洲際量子通信
（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[3]）
其實(shí)早在2008年，來(lái)自?shī)W地利和意大利的研究團(tuán)隊(duì)就開始嘗試將單個(gè)光子送“上天”，并且首次成功識(shí)別了衛(wèi)星反射回地表的單光子信號(hào)。
而在2016年，來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)成功發(fā)射了世界上首顆“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，并且實(shí)現(xiàn)了7600多公里的洲際量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，從而開拓了超遠(yuǎn)距離上量子保密通信的研究領(lǐng)域。
《科學(xué)》雜志封面的“墨子號(hào)”
（圖片來(lái)源：《科學(xué)》雜志）
未來(lái)可期——向著量子通信時(shí)代邁步
隨著量子保密通信技術(shù)的不斷成熟，原本無(wú)比奇妙的科學(xué)設(shè)想正在一步步走進(jìn)我們的現(xiàn)實(shí)生活中。
通過(guò)采用“上天”和“入地”等方式，基于單個(gè)光子的量子密鑰分發(fā)技術(shù)正在打破空間上的限制，從而為最終實(shí)現(xiàn)全域的量子保密通信提供了無(wú)限的可能性。
“京滬干線”量子密鑰分發(fā)示意圖
（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[4]）
得益于“京滬干線”和“墨子號(hào)”等一系列代表性成果的不斷涌現(xiàn)，中國(guó)團(tuán)隊(duì)在量子保密通信方面的研究已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平。相信在不久的將來(lái)，將有更多的光纖通道和量子通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，從而最終實(shí)現(xiàn)全球化的全域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。
讓我們一起期待量子保密通信時(shí)代的到來(lái)吧！
參考文獻(xiàn)
[1] Buttler W T, Hughes R J, Kwiat P G, et al. Free-space quantum-key distribution[J]. Physical Review A, 1998, 57(4): 2379.
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