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量子通信:与“棱镜门”再见

放大字体  缩小字体 发布日期:2014-06-15  浏览次数:443
核心提示:棱镜门一出,从国家元首到平民百姓人人自危,深感信息安全像窗户纸一样,似乎再保密的通话都会被情报人员监听。的确,基于电子方

“棱镜门”一出,从国家元首到平民百姓人人自危,深感信息安全像窗户纸一样,似乎再保密的通话都会被情报人员监听。的确,基于电子方式的通信,基于数学方法的密码,已经无法保证不被破解。

从电子通信到量子通信,一场通信技术革命正在竞争中触发。我国量子通信卫星目前正在上海等地进行紧张的工程研制,有望在两年之内上天,在卫星与地面之间收发不可截获的“密电”。


从理论上讲,神奇的量子通信是超高效率和绝对安全的。

无法克隆的量子纠缠

先科普一下。简单地说,量子是微观物理世界中的基本单位,一个最最小的单元。比如量子力学,就是用来描述各种微观粒子之间的力学关系和运动规律的。它完全不同于中学物理教科书上的经典牛顿力学。

早在1927年,德国科学家海森伯就提出了量子不可测的原理。在现代科学认知中,几乎任何已知事物都是可测的,但至少量子是个例外。

像造币一样,制作硬币的基本前提是测定模板、再行复制。想象一下,在量子世界中,有一枚不停旋转的“量子骰子”,6个面交替出现。要复制它,必然先要测量它的尺寸,而这种测量行为就会改变它的运动状态。换句话说,量子一旦被测量,还来不及被复制,它就不是原来那个量子了。

在通信中,对方的话通过电话等有线无线终端,远距离传送到你的耳朵里。如果他人要窃听你们的对话,必须完成这个对话的复制过程。而如果这段通话被加密,也必须先复制到密码,再解密为正常通话。

那么,一旦通信中的信息和密码用量子来承载,就是不可克隆的。

其实,量子通信拥有一道“双保险(放心保)”,除了不可复制,还有量子纠缠现象。即两个共同来源的微观粒子,不论它们分开多远,一旦其中一个粒子发生变化,就立即影响到另一个粒子,似乎它们像一对孪生儿,彼此存在“心灵感应”。

为了这种 “幽灵般的超距作用”,两位科学大师爱因斯坦和玻尔发生了 “关于物理学灵魂的论战”。后来,物理学家贝尔等人用实验证明,量子纠缠确实存在,而且某些量子效应可能以超光速行进。

 


这种不可克隆的量子纠缠,正好是量子通信所需要的。中科院空间科学战略性先导科技专项项目—量子卫星工程常务副总师兼卫星总指挥、中科院上海技术物理所王建宇研究员介绍,作为全新通信概念的量子卫星通信,是以构成光线的光子为单元,通过收发一连串的光子,进行星地之间的量子密钥分发。比如,100个光子形成一串密码,由A发给B,A发出一个,B就收一个,两者间建立唯一的对应关系,第三者无法从中截获。

量子通信地面试验告成

要想与“棱镜门”这样的事件说再见,除了外交努力之外,最有效的“硬功夫”就是改变整套通信体制,尽快启用密级最高的量子通信,率先确保国家利益不受损,进而进入广阔的商用、民用领域。

自1993年IBM公司提出量子通信理论以来,各主要发达国家都将量子通信研发和应用列为优先级战略。我国在量子通信领域并不后发,与世界同步,甚至具有一定领先优势。

据《科学》杂志报道,最近5年间,我国借助3节点链状光量子电话网,建成了世界上首个全通型量子通信网络,首次实现了实时语音量子保密通信。这一成果在同类产品中处于国际先进水平,标志着中国在城域量子网络关键技术方面达到了产业化要求。

大众熟知的光纤就是光通信,也可发展为量子通信。尽管基于光纤的量子通信研究成果已越来越接近实用,甚至可以预见未来几年光纤量子通讯系统就可投入实际的保密通信中,但由于地球表面的曲率影响和光纤传输损耗的增加,在地面实施远距离量子通信非常困难。光纤中的光子衰减,使得处于量子纠缠态的两点之间距离,最多只有100公里左右。

因此,超远距离乃至星地量子通信的基础检验,成为国际上量子研究焦点之一。为此,在中国科技大学潘建伟院士和王建宇研究员的主持下,中国科技大学、中科院上海技物所、中科院光电所、上海微小卫星工程中心和中科院上海光机所等组成了联合团队,仿真计算出星地量子通信链路,并根据仿真结果设计了一系列地面工程验证试验,研制了用于星地量子通信的样机。

其中的量子密钥分发实验,在不同载体上进行—如收发距离40公里的转台实验,与卫星绕地运行的角速度保持一致;又如30公里距离的车载高速运动实验,考验超远距离“移动瞄靶”能力;再如热气球浮空平台,在空地环境下模拟了量子密钥分发。另外,科研人员还在青海湖实现了97公里超远距离自由空间量子密钥分发实验。这一系列实验,验证了星地量子通信的可行性,相关论文去年在《自然˙光子学》杂志上发表。


主导量子卫星后年升空

有了量子卫星,全球任意点对点的量子通信就可如接力跑般完成,而且是以光速计的。

目前,多国均在开展量子通信卫星平台研发,中科院也已开始实施量子科学卫星计划。据悉,现计划在2016年左右,以我国为主导发射一颗量子实验卫星。这也是中科院相关战略性先导科技专项中首批确定的5颗科学实验卫星之一。

事实上,2008年起,王建宇就与量子卫星工程首席科学家潘建伟院士合作,从事自由空间量子激光通信研究。经过星地量子通信联合团队多年攻关,中科院知识创新工程重大项目 “空间尺度量子实验关键技术”通过验收,为日后星地量子通信的实现奠定了基础,为未来全球量子通信网络打下了基础,也标志着我国在这一研究领域保持了国际领先地位。

据王建宇研究员介绍,我国量子科学实验卫星将装载我国自主研发的星地量子通信设备。比如,这种星载量子通信机能产生光子,同时“发光子”,与之对接的地面系统则负责“接光子”,这种“发球、接球”需要超高精度地瞄准、捕获和跟踪,仿佛在空间尺度下、在穿越大气层后“针尖对麦芒”。

这颗中国量子卫星将建立我国幅员之间乃至国际上其他站点之间的量子通信网络,它也可能是全球首颗量子通信卫星。国际权威学刊《自然》周刊对中国人取得的进展作出评论:“中国在量子通信领域内,已从十年前不起眼的国家,发展为现在的世界劲旅,并将领先于欧洲和北美。 ”

“天知地知你知我知”。这意味着,中国将有能力最先与任何“棱镜门”告别,让侦听者无从测得量子通信中的全部信息并复制下来,而且一旦实施侦听,就无法掩盖这一行为。

 

 
 
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