近一两年里,随着有关量子科技的报道越来越多地出现在眼前,我们恐怕再也不能仅仅停留在“遇事不决,量子力学”的认知水平了。

 

我们知道,量子科技主要包括量子计算和量子通信两大技术领域。与处在起步阶段的量子计算不同,量子通信技术早已完成了理论的验证,已经进入快速产业化应用的阶段。

 

最近,我国在量子通信领域又取得了一些关键进展。1月初,中国科技大学宣布成功实现跨越4600公里的星地量子密钥分发,这标志着我们基本构建起天地一体化广域量子通信网,也证明了广域量子保密通信技术初步具备大规模应用的成熟条件。

 

紧接着,南京大学的研究团队成功通过两架无人机空中编组,首次使用光学中继,在两个相距1千米的地面站之间实现纠缠光子分发,实现多节点移动量子组网。实验的成功意味着我们在量子通信网络上有了更多样的应用场景选择。

 

(以无人机为移动节点的光中继纠缠分布实验示意)

 

显然,无论是广域量子通信网的建成,还是移动量子网络的成功实验,对于很多人而言,只会不明觉厉。因此,如果想搞清楚以上这些量子通信技术到底有何“含金量”,又对我国的量子通信产业有着怎样的影响,仍然值得我们去做一番细致解读。不过,在回答这两个问题之前,首先需要先对“量子通信”本身做一下简单介绍。

 

 

量子通信:将信息加密进行到底

信息通信技术在今天的重要性已经毋庸置疑。5G,作为新一代移动通信技术,正在广泛应用在我们的日常生活中,相比之下,量子通信还是一个非常时髦但又让普通人不明所以的存在。

 

量子通信到底是怎么回事,对我们大众的生活有哪些影响呢?

 

简单来说,量子通信属于量子信息科学的一大分支。量子信息科学,顾名思义是由量子力学和信息科学组成的交叉学科。按照信息科学中“计算”和“通信”两大主题,量子信息科学的研究也分为“量子计算”和“量子通信”。量子通信就是利用量子力学特性进行信息传递的新型通信方式。

 

第一个问题,信息通信技术为啥需要跟量子力学“纠缠”在一起呢?

 

对于信息通信,特别是远距离信息通信来说,一直要解决的两大难题。

 

第一大难题是信息传输的效率,包括传输率和准确率,这些由一系列不断演进的技术来保证,从最初的烽火台、到旗语,再到电报的摩尔斯电码、有线电话、光缆通信、移动网络等等。这部分我们都很熟悉,不再赘述。

 

第二个难题就是信息传输的安全性,也就是信息加密通信的问题。信息加密通信的重要性,普通人可能没有切身感受。第二次世界大战期间,正是由于英国政府破解了德军使用的一种号称无法破译的恩尼格码密码机,从而大大扭转了二战欧洲战场的战局,加速了德国的战败。如今,加密通信更是成为了互联网、金融、军事等几乎所有需要信息通信的场景的基石。

 

在量子通信出现以前,传统的加密通信只有两种方式:

 

一种信息加密方式是“对称密码机制”。传输双方掌握同一套密钥,传输方用密钥将明文转换成密文,接收方用它将密文变换回原文。双方共享的这一套密钥或者说密码本,如果第三方不掌握密码本,理论上基本永远无法破译这套加密信息。但是密钥会需要一个信使来进行传递,在抗战时期,地下工作者的一个工作就是充当信使来传递密码本的。这里会出现两个安全问题,一个就是信使叛变,一个是密码本被截获,只要第三方掌握了密码本,那么加密信息就等于是“明文”信息了。

 

为了克服这种问题,数学家发明了第二种信息加密方式——“非对称密码机制”,或者说“公钥密码机制”。只有接收方手里有一套“加密锁”(公钥)和“解密钥匙”(私钥),接收方可以把打开的“加密锁”公布出来,任何人,包括发送方都可以公开获取。发送方只需要把信息用“加密锁”锁起来发送给接收方,接收方再用自己的“解密钥匙”打开“加密锁”,就能获得信息。

 

“加密锁”,实际上只是一道“因数分解”的数学题,是由三位名字首字母为R、S、A的数学家发明的公钥密码机制,现在也是世界上最常用的密码体系。这套密码机制的优势在于,制造密码很简单,破解密码很困难。第三方窃密者想要破解一个公钥密码,用全世界最快的计算机去计算,少则需要数万年,多则几十亿年。这就让破解密码成为一个事实上不可能的事情。

 

 

但是在理论上,只要计算速度够快,RSA密码被破解就是分分钟的事情了,而恰好量子计算机可以通过量子比特的特性将破解因数分解的速度提升多个数量级,能够轻易打破因数分解设置的计算难题。比如,分解一个300位和5000位的因数,量子算法可以将原来需要的15万年减少到不足1秒,从原来的50亿年减少到2分钟。虽然现在量子计算机还处在初级阶段,只能处理六位数的因数分解,但是随着量子计算研究的升级,传统公钥密码系统将迟早被淘汰。

 

因为量子计算的出现,传统加密通信变成“小透明”,但是量子保密通信技术(也叫量子密钥分发)的出现,再一次让“完美加密”得以实现。因此,量子保密通信成为当前量子通信技术的主要应用,也是当前可以走向产业落地的应用。

 

你看,“上帝关上一扇门,也会给你打开另一扇门”,而且打开的门还比关上的门要早一步开启。

 

所谓量子保密通信,就是一种利用量子的偏振特性来完成信息加密的一种激光通信。那么,量子保密通信具体是如何实现的呢?

 

(量子偏振的叠加原理)

 

我们知道量子力学的特征有三点:叠加、测量和纠缠。

 

简单来说,“叠加”保证了一个量子比特在偏振中可以有无限个状态,而非数字比特只有0和1两个状态。叠加原理既能用来做量子计算,也能用来做量子加密。“测量”保证了量子的真正随机性(randomness),量子力学的“测量”让“眼见为实”失去意义,每一次测量都会产生随机的结果,而且测量本身也会改变结果,用在加密上就增加了传输错误率,因此一旦有第三方“窃听”,通信双方就能立刻发现。

 

“纠缠”就更厉害了,量子纠缠可以实现多个粒子的超远距离的通信同步,不过对于量子加密来说,就有点像“火箭送快递”一样大材小用。因此,现在量子通信,只要充分利用量子叠加和测量的手段,单个粒子就能产生相同的随机数,完成“量子密钥分发”(quantum key distribution,QKD)。

 

最初的单粒子加密协议是由本内特(Charles Bennett)和波拉萨德(Gilles Brassard)在1984年提出的,因此也被称为“BB84协议”,而当前最先进的诱骗态协议可以看作是8848协议的改进版。

 

 

具体的量子加密的方式不再赘述,我们可以直接和传统加密的效果做下对比:

 

传统对称密码机制可以做到:(1)密文被截获但不会被破译;(2)仅靠计算无法破解,而传统非对称密码机制,可以做到;(3)无需传递密钥的信使;(4)在每次使用前直接产生密钥,平时不需要保存密钥,但需要依赖数学计算的复杂性做到“密文的不可破译”。因此,这两种方式都无法做到“完美加密”。

 

而量子保密通信不仅能同时做到以上四点,具备了计算意义上的“完美加密”性,而且因为量子的不可克隆性,在量子密钥分发过程中,量子信号一旦遭到窃听,通信双方立刻就能发现,从而及时终止通信或更换信道通信,甚至还可以利用一些光学技术,确定窃听者的位置。这一点是传统加密技术根本无法做到的。因此,量子加密通信又被称为(计算上)“绝对安全”的加密技术。

 

当然,以上只是从理论上证明了量子密钥分发的可用性,但量子密钥分发在一开始,可以实现的通信距离非常短,根本无法实现真正的产业化应用。因此,想要让量子通信走进现实世界,就必须建造出可以进行远距离传输的量子通信系统。

 

从30厘米到4600公里,从单线连接到“天地空一体”

 

 

1988年,IBM实验室首次实现了现实意义的量子保密通信。当时,研究者通过上下偏振和左右偏振呈现的量子态来分别代表两套测试方法,最终使得两台计算机在30厘米距离的线路连接下实现了量子通信,证明了量子保密通信的可行性,而此后如何增加量子通信距离,就成为量子保密通信最主要的任务。

 

1995年,瑞士日内瓦大学首次做到了距离23公里的量子保密通信。2002年,美国BBN公司、哈佛大学和波士顿大学开始联合建造DARPA网络,并在2009年完成了城域量子保密通信实验网络的建设。

 

 

2003年,韩国、中国、加拿大等国学者提出了诱骗态量子密码理论方案,在现有技术条件和真实系统的状况下,大幅提高了量子通信的安全传输距离。中科大潘建伟团队在2010年时候可以做到16公里的量子通信,到2012年成功推进到百公里级别,并首次证明了卫星与地面站间进行量子通信的可行性。

 

2016年8月,中国成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”,该卫星既实现了上千公里的星地高速量子密钥分发,又实现了远距离地星量子隐形传态,从而将极大推动量子通信的实用化。2016年底,全球首条量子保密通信骨干线——“京沪干线”贯通,通过量子中继站,构建起连接北京、上海,贯穿济南和合肥全长2000余公里的量子通信骨干网络。也就是通过墨子号和京沪干线连接,建成这条“跨越4600公里的天地一体化量子通信网络”。

 

(《Nature》论文图:天地一体化量子通信网络示意图)

 

墨子号和地面的量子保密通信是通过真空和大气层传递,光信号传输基本不会衰减,因此可以实现超远距离的自由空间信道传输。而京沪干线采用光纤QKD链路传输,尽管不受外界环境影响,但是光信号衰减严重,导致必须使用可信中继方案进行城域、城际的传输。

 

理解了这两种方式的优缺点,我们也就能够理解南京大学团队提出的“以无人机为光学中继”的方式进行量子密钥分发,所具有“即搭即用、灵活机动”的特点,正好可以实现和光纤地基和卫星天基量子链路的功能互补。

 

 

未来,基于高低空无人机所搭建的移动量子链路可以向着“低空小型化”和“高空远距离”两个方向发展,最终目标是可以建立多节点连接的自由空间的量子链路网络。

 

经过30多年的演进发展,从厘米级别到数千公里级别、从单线连接到城域、城际网络,再到天地一体量子通信网络,量子通信已经开始进入产业化应用的阶段当中。

 

 

暂时领先,道阻且长

说到这里,大家可能都非常关心一个问题,那就是在全球量子通信产业竞赛中,中国处在一个怎样的位置?这一次我们可以不客气地说,中国的量子通信暂时取得了领先。

 

首先,和美国、欧盟量子通信网络的实力对比,我国广域量子通信网络已具有大幅领先优势。

 

去年,欧盟发布的《量子旗舰计划战略研究议程》中提到:“未来3年愿景是利用QKD协议和具有可信中继节点的网络实现全球范围的安全密钥分发,6-10年愿景是使用量子中继器在光纤上实现800公里以上的量子通信。”而美国去年发布的《量子网络战略愿景》中提出:“未来5年,美国将展示量子网络的基础科学和关键技术,从量子互连、量子中继器、量子存储器到高通量量子信道,以及洲际天基纠缠分发。” 

 

从这两家的量子战略时间表来比较,我们领先欧盟3至5年,领先美国则有5至8年。

 

 

其次,从量子通信领域的专利数、申请专利的机构以及量子密钥分发网络国际标准的制定来看,中国企业同样占据领先优势。比如,在量子通信技术专利数排名世界前十的机构中,有7家都是中国的。

 

另外,现在中国量子通信产业化规模正在加速增长。根据数据,2017年中国量子通信行业市场规模达到180亿元,到2023年将达到805亿元。量子通信技术正在金融、政务、国防、电子信息等领域广泛应用。

 

尽管当前取得暂时的领先,但是我们也依然要清醒地认识到量子通信领域的竞争才刚刚开始。按照Gartner的技术成熟度曲线,量子通信产业仍然处在商业化早期阶段。接下来,我们要继续完成量子通信网络的建设,也要在量子通信产品的标准化、小型化方向加强投入,从而丰富量子通信的应用场景。

 

而在未来,我们的目标是基于远距离、可扩展、大规模的量子通信网络,将分布在各地的量子信息处理器互联,率先建成可以承载量子信息的“量子互联网”。而同样,量子互联网也是欧美国家量子战略的最终目标。

 

 

可以预见,在接下来很长一段时间,我国和欧盟、美国展开一场不亚于如今半导体产业激烈互博的技术竞赛。如果我们想要继续在量子通信领域保持优势,则仍然要在量子信息领域的标准化制定、基础理论研究,以及从产品开发到应用推广的产业化方面,都必须保持足够的投入和创新。

 

从根本上来说,量子科技人才短缺仍然是阻碍量子科技发展和竞争力提升的重要因素。因此,无论量子信息科学看起来多么深奥,学起来多么艰涩,但是在未来一定将会成为一门大众必学必修的一门基础课程。只有这样,大批的量子信息专业人才也才能涌现。

 

最终,希望这篇文章能够成为引导读者关注量子信息科学和量子通信产业的一个契机。

 

参考资料:

1. 袁岚峰:《万字长文!你完全可以理解量子信息》

 

2. 吴军:《科技史纲60讲》

 

3. 紫金山科技:《量子通信:一场不见硝烟的国际较量》