文/陳根
從貝爾實驗室開始，到硅谷的崛起，再到電子計算機和遍布全球的互聯(lián)網(wǎng)，人類文明正在一步一步地全面進入信息時代。不過，目前的常規(guī)通信多采用加密技術(shù)解決安全通信問題。但密碼總存在被破譯的可能，尤其是在量子計算出現(xiàn)以后，采用并行運算，對當前的許多密碼進行破譯幾乎易如反掌。
可以說，如今，信息傳輸，已經(jīng)從“如何傳輸”，走入了“如何安全傳輸”的時代，而量子通信正是這一段信息革命的直接繼承者——當前，基于量子密鑰分發(fā)與經(jīng)典對稱密碼算法相結(jié)合的量子通信技術(shù)正在對計算、通信領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，并越來越成為信息時代的支持力量。
是什么支撐了“量子通信”？
上世紀中葉，人類以量子力學為基礎(chǔ)開始認識和利用微觀物理規(guī)律，推動產(chǎn)生了激光器、半導體和原子能等具有劃時代意義的重大科技突破。進入二十一世紀，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。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)進行信息傳遞的一種新型的通訊方式。
當前，我們已經(jīng)知道，量子有許多經(jīng)典物理所沒有的奇妙特性，量子糾纏就是其中突出的特性之 一。在了解量子糾纏以前，一個更為人們所熟悉的現(xiàn)象，其實是“心靈感應(yīng)”。簡單來說，就是兩個相距遙遠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)到對方的存在。
與“心靈感應(yīng)”相類似，量子力學研究發(fā)現(xiàn)，宇宙中任何一個粒子都有“雙胞胎”，二者即使隔開整個宇宙的距離，也仍然一直保持同步同樣的變化。一對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粒子，無論分離多遠，它們之間都存在一種神秘的關(guān)聯(lián)，只要一個粒子的狀態(tài)發(fā)生變化，就能立即使另一個粒子的狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)變化。也就是說，我們可以通過測量其中一個粒子的狀態(tài)來得知另一個的信息。
量子的另一個奇妙特性是量子具有測量的隨機性和不可克隆的屬性——任何的測量都會破壞量子的本來狀態(tài)。從測量的隨機性來看，在量子力學里，光子可以朝著某個方向進行振動，這就叫作偏振。因為量子疊加，一個光子可以同時處在水平偏振和垂直偏振兩個量子狀態(tài)的疊加態(tài)。這時，如果我們拿一個儀器在這兩個方向上進行測量，就會發(fā)現(xiàn)每次測量都只會得到其中一個結(jié)果：要么是水平的，要么是垂直的。測量的結(jié)果完全隨機。
并且，在日常的宏觀世界里，一個物體的速度和位置，一般是可以同時準確測定的。比如，我們要測量一架飛機，雷達就可以把飛機的速度、位置都準確測定。然而，在量子世界，測量卻會破壞或改變量子的狀態(tài)。如果我們把一個量子的位置測準了，它的速度就無法再測準。既然測量量子的狀態(tài)會出現(xiàn)隨機的結(jié)果，那么人們自然也無法對一個不知道其狀態(tài)的量子進行復制。
在量子糾纏的特性以及量子測量的隨機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)傳遞過程中，如果有人竊聽，它的狀態(tài)就會因竊聽（測量）發(fā)生改變，密碼接收的誤碼率會明顯增加，從而引起發(fā)送者和接收者的警覺，而停止該信道的發(fā)送。
并且，由于量子具有測量的隨機性和不可復制的特性，因此幾乎不可能被破譯，因為傳統(tǒng)通信的密鑰都是基于非常復雜的數(shù)學算法，只要是通過算法加密的，人們就可以通過計算進行破解。而量子通信則可以做到很安全，不被破譯和竊聽，這在數(shù)學上已經(jīng)獲得了嚴格的證明。
可以說，作為新一代通信技術(shù)，量子通信為信息提供無法被竊聽、無法計算破解的絕對安全保障。
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，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)雙方進行安全的密匙共享，借助一次一密的加密方式實現(xiàn)雙方的安全通信。利用量子的不可測性和不可克隆性，從而實現(xiàn)信息的不可竊聽，這首先需要在收發(fā)雙方間實現(xiàn)無法被竊聽的安全密鑰共享，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)合測量實現(xiàn)量子態(tài)信息的直接傳輸，在量子信息的轉(zhuǎn)移過程中不移動信息載體本身。同經(jīng)典通信相類似，遠距離量子通信會出現(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。
美國最早開始了量子通信的研究，20世紀末，美國政府就將量子信息列為“保持國家競爭力”計劃的重點支持課題，隸屬于政府的美國國家標準與技術(shù)研究所（NIST）將量子信息作為三個重點研究方向之一。在政府的支持下，美國量子通信產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展也較為迅速。
1989年，IBM公司在實驗室中以10bps的傳輸速率成功實現(xiàn)了世界上第一個量子信息傳輸實驗，雖然傳輸距離只有短短的32m，但卻拉開了量子通信實驗的序幕。2003年，美國國防部高級研究計劃署在BBN實驗室、哈佛大學和波士頓大學之間建立了DAPRA量子通信網(wǎng)絡(luò)，這也是世界上首個量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)。
該網(wǎng)絡(luò)最初由6個量子密鑰分發(fā)（QKD）節(jié)點，后擴充至10個，最遠通信距離達到29km。2006年，Los Alamos 國家實驗室又基于誘騙態(tài)方案實現(xiàn)了安全傳輸距離達107km的光纖量子通信實驗。2009年，美國政府發(fā)布的信息科學白皮書中明確要求，各科研機構(gòu)協(xié)作開展量子信息技術(shù)研究。
2016年4月，美國國家科學基金會（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6個跨學科研究團隊給予了 1200萬美元資助，用于進一步推動量子安全通信技術(shù)的發(fā)展。2016年9月，NSF發(fā)布2017年研究與創(chuàng)新新興前沿項目（EFRI）的招標文件，著重解決基礎(chǔ)工程挑戰(zhàn)，開發(fā)芯片級的設(shè)備和系統(tǒng)，為實用化的量子存儲和中繼器的研制做準備，目標是實現(xiàn)可擴展的廣域量子通信和應(yīng)用。
過令人欣慰的是，今天中國在量子通信領(lǐng)域已經(jīng)毫無疑問地達到了世界頂尖水平，尤以中科大的潘建偉、郭光燦等小組最為有名。2016年，中國發(fā)射了世界首顆量子通信衛(wèi)星“墨子號”，成為轟動一時的大新聞?！澳犹枴笔状螌崿F(xiàn)了衛(wèi)星與地面之間量子通信連接。
不過，發(fā)射衛(wèi)星只是一個起點，在“宏偉量子大廈”中，量子“京滬干線”隨后也飛速搭建了起來。2017年世界首條量子保密通信干線——“京滬干線”正式開通，量子“京滬干線”總長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)，并在量子計算領(lǐng)域有所作為。
可以說，目前，在市場應(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)展與進步，保密措施變得越來越復雜、越來越可靠。人類也在致力于將量子保密通信向更遠距離和更大規(guī)模的廣域網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。
比如，量子通信就對軍事、國防、金融等領(lǐng)域的信息安全有著重大的潛在應(yīng)用價值和發(fā)展前景。在國防和軍事領(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)，向未來戰(zhàn)場覆蓋區(qū)域內(nèi)任意兩個用戶分發(fā)量子密鑰，構(gòu)成作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)機動的安全軍事通信網(wǎng)絡(luò)。量子通信不僅可用于軍事、國防等領(lǐng)域的國家級保密通信，還可用于涉及秘密數(shù)據(jù)、票據(jù)的政府、電信、證券、保險、銀行、工商、地稅、財政等領(lǐng)域和部門。
此外，量子通信還能夠應(yīng)用于信息對抗，改進軍用光網(wǎng)信息傳輸保密性，提高信息保護和信息對抗能力；并能夠應(yīng)用于深海安全通信，為遠洋深海安全通信開辟了嶄新途徑；利用量子隱形傳態(tài)以及量子通信絕對安全性、超大信道容量、超高通信速率、遠距離傳輸和信息高效率等特點，將建立滿足軍事特殊需求的軍事信息網(wǎng)絡(luò)，為國防和軍事贏得先機。
而在國民經(jīng)濟領(lǐng)域，量子通信則可用于金融機構(gòu)的隱匿通信等工程以及對電網(wǎng)、煤氣管網(wǎng)和自來水管網(wǎng)等重要基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)視和通信保障。
不過，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。
實際上，無論是量子密鑰分發(fā)，還是量子隱形傳態(tài)，都離不開一個需要經(jīng)典通信的“經(jīng)典信道”。對于量子密鑰分發(fā)來說，收發(fā)雙方需要通過經(jīng)典信道比對測量方式，從隨機的測量方式中挑選出一樣的那部分，只有這部分的量子測量出的結(jié)果才能作為無條件安全的量子密鑰使用。
對于量子隱形傳態(tài)來說，收發(fā)雙方同樣需要通過經(jīng)典信道比對測量方式，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，這個經(jīng)典信道的存在使得單純靠量子糾纏無法傳送量子比特，因此超過光速的量子糾纏無法超光速傳遞信息，這樣就不會違反相對論。
可以說，量子通信其實是經(jīng)典通信之外的一個新戰(zhàn)場，和一個新的發(fā)展機遇。對于通信產(chǎn)業(yè)來說，經(jīng)典通信就好比是煤炭燃燒的化學能，量子通信就好比是電能。大部分電能離不開化學能，而量子通信也離不開經(jīng)典通信。
并且，電能還將對化學能有所繼承和發(fā)展，使得電能可以應(yīng)用在更多的地方，更好地去控制機器，并且能夠處理和傳輸信息。而量子通信對經(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下，是極大的安全感。從理論走向現(xiàn)實應(yīng)用，量子通信，正在升級信息時代，引發(fā)一場關(guān)于通信的技術(shù)變革。
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