量子通信最強科普：絕對保密！

　　新聞背景

　　2015年底，英國物理學(xué)會《物理世界》評選的2015年度國際物理學(xué)領(lǐng)域十項重大突破，名列榜首的就是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究小組，在國際上首次成功實現(xiàn)“多自由度量子隱形傳態(tài)”。

　　量子通信，是近年來很熱門的一個詞匯，但大多數(shù)讀者對此都是云里霧里。這里我們就來做一點基本的科普。

　　什么是“量子”和量子通信

　　“量子”不是一種粒子，而是微觀世界的一種性質(zhì)：物質(zhì)或者粒子的能量和其他一些性質(zhì)都傾向于不連續(xù)的變化。例如，當(dāng)我們把通常光源發(fā)出的一束光通過衰減片進(jìn)行反復(fù)衰減，其能量不斷減弱，最后就會成為一份一份不連續(xù)的能量顆粒，這樣不可分割的最小能量顆粒被稱為單光子或光量子。也就是說，光量子是構(gòu)成光的最基本單元，是光能的最基本攜帶者，不可分割。

　　光在傳播的同時還在振動，例如沿水平方向振動或沿豎直方向振動。如果把水平振動狀態(tài)叫做“0”，豎直振動狀態(tài)叫做“1”，利用這兩個狀態(tài)就可以加載一個比特的信息。但與經(jīng)典比特不同的是，光量子比特不但可以處于水平振動狀態(tài)(“0”)或豎直振動狀態(tài)(“1”)，還可以同時處于這兩個狀態(tài)的一種疊加狀態(tài)(“0+1”)，存在這種所謂的量子相干疊加，就是量子世界與經(jīng)典世界的根本區(qū)別。

　　廣義地說，量子通信是指利用量子比特作為信息載體來傳輸信息的通信技術(shù)。由于利用了量子力學(xué)的基本原理，量子通信能夠在確保信息安全、增大信息容量等方面，突破經(jīng)典信息技術(shù)的極限。量子通信內(nèi)涵很廣泛，量子隱形傳態(tài)、量子保密通信、量子密集編碼等都屬于量子通信范疇，而量子保密通信是目前最接近實用化的量子信息技術(shù)。

　　量子保密通信為何不可破解

　　信息的安全傳送是千百年來人類的夢想之一，然而經(jīng)典信息很容易被竊取，因此保障通信安全的主要方法就是對信息進(jìn)行加密。人們已經(jīng)發(fā)展了各種各樣的經(jīng)典密碼和加密算法，它們主要是利用計算的復(fù)雜性來確保通信安全——竊聽者在沒有破解密鑰的情況下，在有限的時間內(nèi)無法完成破譯所需的大量計算。

　　但是，數(shù)學(xué)的不斷進(jìn)步，可能使得一些現(xiàn)在看起來無法利用數(shù)學(xué)方法破解的加密解密算法在未來得以破解。更為嚴(yán)峻的是，計算能力的提升速度和潛力，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人們最初的想象，經(jīng)典密碼加密技術(shù)對于通信安全的保障，也顯得遠(yuǎn)非預(yù)期那樣可靠。

　　量子通信系統(tǒng)的問世，重新點燃了建造安全的通信系統(tǒng)的希望。

　　量子相干疊加會帶來奇特的量子特性。例如，對于一個未知狀態(tài)的單光子，要想精確復(fù)制它的狀態(tài)是不可能的，這稱為量子不可克隆原理。這是因為，若要對單光子的狀態(tài)進(jìn)行復(fù)制，就要首先對其進(jìn)行測量，但量子相干疊加決定了測量會對單光子的狀態(tài)產(chǎn)生擾動，因此無法獲得其狀態(tài)的精確信息，也就無法實現(xiàn)對其狀態(tài)的精確復(fù)制。單個光量子不可分割和量子不可克隆原理這些量子世界的奇特性質(zhì)，保證了量子保密通信的安全性。

　　在量子保密通信過程中，發(fā)送方和接收方采用單光子的狀態(tài)作為信息載體來建立密鑰。由于單光子不可分割，竊聽者無法將單光子分割成兩部分，讓其中一部分繼續(xù)傳送，而對另一部分進(jìn)行狀態(tài)測量獲取密鑰信息。又由于量子測不準(zhǔn)原理和不可克隆定理，竊聽者無論是對單光子狀態(tài)進(jìn)行測量或是試圖復(fù)制之后再測量，都會對光子的狀態(tài)產(chǎn)生擾動，從而使竊聽行為暴露。理論表明，通信雙方只要按照協(xié)議產(chǎn)生了密鑰，就一定是安全的。

　　建立量子通信網(wǎng)絡(luò)已有途徑

　　1984年，美國ibm公司的bennett和加拿大蒙特利爾大學(xué)的brassard共同提出了第一個量子密碼通信方案，即著名的bb84方案，標(biāo)志著量子通信領(lǐng)域的誕生。但在早期階段，量子通信的安全通信距離只有10公里量級，不具有實用價值。

　　2005年，華人科學(xué)家王向斌、羅開廣、馬雄峰和陳凱等人，共同提出了基于誘騙態(tài)的量子密鑰分發(fā)實驗方案，從理論上把安全通信距離大幅度提高到100公里以上。

　　雖然采用誘騙態(tài)方案在光纖中可以實現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，但由于光子易被光纖吸收，造成損耗，導(dǎo)致信號在光纖傳送的過程中越來越弱;而量子保密通信的安全性正是建立在量子信號不能被復(fù)制(所以不能被放大)的基礎(chǔ)上。因此僅僅利用光纖難以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通信。

　　為了解決這個問題，有兩種可行的途徑。一種是利用所謂的“量子中繼”，形象化的說法即“量子接力”：將相距較遠(yuǎn)的通信線路分為數(shù)段，每一段的損耗因此較小，然后在量子中繼的幫助下，把光子攜帶的信息一段段如同接力賽一樣向前傳遞。另一種是自由空間單光子傳輸。這是由于大氣對某些波長的光的吸收有限，到了外層空間則幾乎沒有光損耗，因此可以突破大氣層通過衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)實現(xiàn)數(shù)千公里甚至是全球化的量子通信。

　　總之，發(fā)展量子保密通信技術(shù)的終極目標(biāo)，是構(gòu)建廣域乃至全球范圍的絕對安全的量子通信網(wǎng)絡(luò)。通過光纖實現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)連接一個中等城市內(nèi)部的通信節(jié)點、通過中繼技術(shù)實現(xiàn)鄰近兩個城市之間的連接、通過衛(wèi)星與地面站之間的自由空間光子傳輸和衛(wèi)星平臺的中轉(zhuǎn)實現(xiàn)兩個遙遠(yuǎn)區(qū)域之間的連接，是目前條件下實現(xiàn)全球廣域量子通信最理想的途徑。