9月10日的北京雁棲湖,雖然天空淅淅瀝瀝地下著雨,但仍有不少學者和學生趕來參加中國科學院與德國國立科學院(Leopoldina)聯合舉辦的第一屆雙邊研討會。會上,中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉作了題為“夢想還是現實?量子通信的過去、現在與未來”的報告。

人類真的可以實現安全的信息傳送嗎?這到底是夢想,還是現實?

對信息的安全傳輸是數千年來人類一直追求的夢想。理論上,所有依賴于計算復雜度的經典加密方法原理上都可以被破解,因此在歷史發展中,經典密碼學的每一次進步都被破解技術的進步所擊敗。那么人類能否發明一種密碼工具來確保信息傳輸的安全性?具體而言,該如何在相距遙遠的兩地實現安全的密鑰分配呢?

1968年,以色列科學家斯蒂芬·威斯納提出可以用量子系統來完成經典方法所不能夠處理的信息處理任務,這啟發了人們發明量子通信和量子密碼學。1984年,美國IBM公司的查爾斯·貝內特和加拿大蒙特利爾大學的吉列·巴薩德共同提出了第一個也是最為著名的量子密鑰分發協議BB84協議。量子密鑰分發利用單光子的不可分割性、未知量子態的不可復制性等微觀粒子特有的性質,從原理上保證了密鑰的不可竊聽,從而確保了信息傳送的安全。

潘建偉在報告中指出,在人類實現遠距離安全量子通信的征途上有兩大挑戰,分別是現實條件下的安全性問題和遠距離傳輸問題。

量子密鑰分發因其具有理論上的無條件安全性而備受關注,但是在實際系統中,量子密鑰分發系統會由于設備的非完美性而存在安全性漏洞。由于量子密鑰分發過程中,線路的安全性是可以嚴格保障的,因此可能的安全性漏洞就集中在發射端和接收端。誘騙態方案和“測量器件無關”方案分別解決了上述兩端的安全性漏洞。這兩個方案均率先被潘建偉團隊實現。

潘建偉介紹道,結合“測量器件無關”方案與自主可控的光源,量子密鑰分發就可以達到“信息論可證”的安全性。因此,目前現實條件下量子密鑰分發的安全性已經很好地建立起來了。

迄今為止,在地面實驗中,量子密鑰分發的點對點距離可達到500千米量級,而量子隱形傳態可達到100千米。那么,如何在此基礎上繼續增加量子通信的距離呢?

一個階段性的解決方案是可信中繼傳輸,我國建設的光纖總長超過2000千米的“京滬干線”便采用了這一方案。在可信中繼方案中,需要人為保障中繼站點的安全,而中繼之間的線路則是安全的。這比傳統通信手段中整條線路處處都面臨著信息泄露的風險而言,大幅提高了安全性。

更為長遠的方案是使用量子中繼器。量子中繼包括量子糾纏純化、量子糾纏交換和量子存儲等手段,可以在遙遠地點間分發量子糾纏,從而實現遠距離的量子通信。潘建偉團隊在量子中繼的核心環節取得了一系列重要成果,目前已可支持通過量子中繼實現500千米的量子通信。但是量子中繼器的實際應用可能還需要等待10年之久。

目前更為有效的方法是基于衛星的量子通信技術。這種手段不受地球表面障礙物的影響,在外太空也幾乎沒有衰減。我國于2016年研制成功并發射國際上首顆量子科學實驗衛星“墨子號”,在國際上率先實現星地量子通信實驗,充分驗證了這一技術的可行性。

報告中,潘建偉展望量子通信的未來,描繪了一幅令人遐想的圖景:通過量子衛星與地面光纖網絡,并與經典通信網絡相融合,未來將可形成覆蓋全球的廣域量子通信網絡,全面提升信息安全水平。而利用廣域的量子通信網絡,人類可以發展出空間分辨率極高的望遠鏡技術;也可以構建高精度的光頻率傳遞網絡,精度相比現在的微波時頻網絡可以提高4個數量級。而“墨子號”量子衛星發展的空間量子科學實驗技術,也為物理學基本原理研究提供了全新的平臺。例如,最近潘建偉團隊利用“墨子號”量子衛星對Event Formalism量子引力模型進行了檢驗,首次對量子力學和引力的融合進行了實驗探索。利用高軌空間極低的引力和磁場噪聲,未來還有望實現精度高達10-21的光鐘,將會促進對引力波信號,特別是低頻信號的探測,可以揭示更為豐富的天文現象。

責任編輯:teikaei

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潘建偉:量子通信面臨兩大挑戰

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