[科普中國]-走近“顛覆性技術(shù)”：量子通信能否取代傳統(tǒng)通信？

四問量子通信(關(guān)注·走近“顛覆性技術(shù)”②)

打個(gè)電話，會(huì)不會(huì)被竊聽？通過網(wǎng)絡(luò)傳送一份保密文件，途中被他人竊取咋辦……現(xiàn)代社會(huì)，信息安全面臨的問題越來越多。

有沒有一種不可破譯的保密方式，能讓傳送的信息絕對(duì)安全可靠？近些年來，量子通信技術(shù)的飛躍發(fā)展正讓夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)。

一問：什么是量子？

量子是光子、質(zhì)子、中子、電子、介子等基本粒子的統(tǒng)稱，是能量的最基本攜帶者

量子是物理世界里最小的、不可分割的基本單元，是能量的最基本攜帶者。它是光子、質(zhì)子、中子、電子、介子等基本粒子的統(tǒng)稱。可以說，整個(gè)世界都是由量子組成的。比如，日常生活中的光，就由大量光量子組成。

量子有不同于宏觀物理世界的奇妙現(xiàn)象，其中最為著名的就是量子疊加和量子糾纏。

“量子世界跟宏觀世界最大的區(qū)別，就是量子有多個(gè)可能狀態(tài)的疊加態(tài)?！敝锌圃毫孔有畔⑴c量子科技創(chuàng)新研究院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院副研究員張文卓說，“這種現(xiàn)象在宏觀世界里是存在不了也無法維持的。在宏觀的經(jīng)典世界里，1就是1，2就是2。而在微觀的量子世界中，一個(gè)狀態(tài)可以存在于1和2之間，它既不是1，也不是2，但它既是1，又是2?！?/p>

“打個(gè)比方吧，這就好比孫悟空的分身術(shù)。一個(gè)孫悟空可以同時(shí)出現(xiàn)在多個(gè)地方，孫悟空的各個(gè)分身就像是他的疊加態(tài)。”中科院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉解釋道，“在日常生活中，一個(gè)人不可能同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方。但在量子世界里，作為一個(gè)微觀的客體，它能夠同時(shí)出現(xiàn)在許多地方?！?/p>

而所謂量子糾纏，也是量子疊加的一種表現(xiàn)，是指兩個(gè)處在糾纏態(tài)的量子一旦分開，不論分開多遠(yuǎn)，如果對(duì)其中的一個(gè)粒子測(cè)量，另一個(gè)粒子就會(huì)立即發(fā)生變化，且是不需要時(shí)間的變化。

“這兩個(gè)糾纏在一起的量子就好比是一對(duì)有心電感應(yīng)的雙胞胎，不管兩人距離多遠(yuǎn)，千公里量級(jí)或者更遠(yuǎn)，只要當(dāng)其中一個(gè)人的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，另一個(gè)人的狀態(tài)也會(huì)跟著發(fā)生一樣的變化。愛因斯坦稱之為‘幽靈般的超距作用’?！迸私▊フf，“量子糾纏所體現(xiàn)的這種非定域性是量子力學(xué)最神奇的現(xiàn)象之一?！?/p>

二問：什么是量子通信？

量子通信是利用量子力學(xué)原理對(duì)量子態(tài)進(jìn)行操控的一種通信形式，可以有效解決信息安全問題

近年來，隨著量子的各種奇妙特性被科學(xué)家不斷認(rèn)識(shí)，實(shí)用的新技術(shù)也被逐漸開發(fā)出來，量子通信就是其中之一。

量子通信是量子信息學(xué)的一個(gè)重要分支，它利用量子力學(xué)原理對(duì)量子態(tài)進(jìn)行操控，在兩個(gè)地點(diǎn)之間進(jìn)行信息交互，可以完成經(jīng)典通信所不能完成的任務(wù)。量子通信是迄今唯一被嚴(yán)格證明無條件安全的通信方式，可以有效解決信息安全問題。

張文卓說：“通常來講，量子通信分為兩種，一種是量子密鑰分發(fā)；另外一種是量子隱形傳態(tài)。前者是利用量子的不可復(fù)制性以及測(cè)量的隨機(jī)性來生成量子密碼，給傳統(tǒng)的數(shù)字通信加密；而后者則是利用量子糾纏直接傳送量子比特。量子隱形傳態(tài)是為了給未來的量子計(jì)算機(jī)之間的通信使用?！?/p>

那么，量子密鑰分發(fā)是如何生成量子密碼來給傳統(tǒng)的通信加密的？

“假如，信息發(fā)送者甲想和信息接收者乙共享量子密碼。首先，發(fā)送者甲需要把一個(gè)個(gè)獨(dú)立的單光子發(fā)送給乙，一邊發(fā)一邊隨機(jī)地選擇單光子的狀態(tài)，并把自己的隨機(jī)選擇方式記錄下來。同時(shí)乙也需要把收到的光子隨機(jī)地測(cè)量一遍，然后把每個(gè)測(cè)量方式通過經(jīng)典通信方式告訴甲?！睆埼淖空f，“接下來，甲把乙的測(cè)量方式和自己的隨機(jī)選擇方式做對(duì)比，保留測(cè)量方式相同的光子，去掉不同的。留下的這些光子的測(cè)量結(jié)果，就構(gòu)成了量子密碼。然后，乙就可以依據(jù)這些密碼打開保密信息?！?/p>

量子隱形傳態(tài)又是如何利用量子糾纏直接傳送量子信息的？

同樣是信息發(fā)送者甲和接收者乙。這次不是共享密碼了，而是要發(fā)送包含量子信息的光子a。

張文卓說：“首先得制備出一對(duì)處在量子糾纏態(tài)的光子b和c，把b交到發(fā)送者甲手里，把c給接收者乙‘拿著’。然后，甲通過自己手中的光子b和這個(gè)想要發(fā)送的光子a一起做測(cè)量，并把測(cè)量方法告訴乙。乙再通過這種方法測(cè)量手中的c，這時(shí)的c已經(jīng)擁有了與a同樣的量子信息態(tài)。”

張文卓進(jìn)一步解釋：“也就是說，我們并不需要真的傳遞光子a本身，而是把它的量子態(tài)精確傳送過去。量子隱形傳態(tài)利用量子糾纏，接收者乙在擁有糾纏態(tài)的光子和發(fā)送者甲的測(cè)量方法后，可以制造出原物的完美復(fù)制品。”

三問：為何保密性高？

量子具有測(cè)量的隨機(jī)性和不可復(fù)制的特性，幾乎不可能被破譯

以往用微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)技術(shù)傳遞信息極易遭遇竊聽。

“因?yàn)閭鹘y(tǒng)通信的密鑰都基于非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法，只要是通過算法加密的，人們就可以通過計(jì)算進(jìn)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(xué)上已經(jīng)獲得了嚴(yán)格的證明。”張文卓說。

這種“很安全”是如何實(shí)現(xiàn)的？這就要說到在講量子密鑰分發(fā)時(shí)提到的量子的另外兩個(gè)特性——測(cè)量的隨機(jī)性和不可復(fù)制。

什么是量子測(cè)量的隨機(jī)性？

張文卓說：“在量子力學(xué)里，光子可以朝著某個(gè)方向進(jìn)行振動(dòng)，叫做偏振。因?yàn)榱孔盈B加，一個(gè)光子可以同時(shí)處在水平偏振和垂直偏振兩個(gè)量子狀態(tài)的疊加態(tài)。這時(shí)，如果你拿一個(gè)儀器在這兩個(gè)方向上進(jìn)行測(cè)量，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，每次測(cè)量都只會(huì)得到其中一個(gè)結(jié)果：要么是水平的，要么是垂直的。測(cè)量的結(jié)果完全隨機(jī)?！?/p>

而在日常的宏觀世界里，一個(gè)物體的速度和位置，一般是可以同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)定的。比如飛機(jī)來了，雷達(dá)就可以把飛機(jī)的速度、位置都準(zhǔn)確測(cè)定。

“但在量子世界，測(cè)量會(huì)破壞或改變量子的狀態(tài)。如果我們把一個(gè)量子的位置測(cè)準(zhǔn)了，它的速度就測(cè)不準(zhǔn)了?！睆埼淖空f。

既然測(cè)量量子的狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)的結(jié)果，那么人們自然也無法對(duì)一個(gè)不知道其狀態(tài)的量子進(jìn)行復(fù)制，這就是量子不可復(fù)制的特性。

利用這兩個(gè)特性，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(huì)因竊聽(測(cè)量)發(fā)生改變，密碼接收的誤碼率會(huì)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。如果竊聽者一直在這個(gè)信道存在，可以換一個(gè)沒有發(fā)現(xiàn)竊聽者的信道重新發(fā)送。”張文卓說，“因?yàn)槟芗皶r(shí)發(fā)現(xiàn)竊聽者，加上量子的不可復(fù)制也使得竊聽者無法采取信息復(fù)制的方法來獲得合法用戶的信息，所以，量子通信具有很強(qiáng)的保密性。”

四問：能否取代傳統(tǒng)通信？

這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

量子通信既然這么厲害，那未來會(huì)不會(huì)取代傳統(tǒng)通信？

張文卓說：“實(shí)際上，量子通信的目標(biāo)并不是要把傳統(tǒng)的數(shù)字通信給取代掉。比如量子密鑰分發(fā)，它本身是為了讓傳統(tǒng)的數(shù)字通信變得更安全，并不能獨(dú)立存在。而量子隱形傳態(tài)則完全取決于量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。只有未來所有的經(jīng)典計(jì)算機(jī)都被量子計(jì)算機(jī)取代了，才完全會(huì)用這種通信方式。但問題是，量子計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)就好比核武器和常規(guī)武器，是不可能完全取代彼此的。未來應(yīng)該是量子通信和傳統(tǒng)通信一起構(gòu)建天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)?！?/p>

量子通信事關(guān)國家信息和國防安全，這個(gè)戰(zhàn)略性領(lǐng)域已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國家優(yōu)先發(fā)展的信息科技和產(chǎn)業(yè)高地。

美國對(duì)量子通信的理論和實(shí)驗(yàn)研究開始較早，并最先將其列入國家戰(zhàn)略。歐盟則著眼于合力構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)，2015年發(fā)布《量子宣言》，計(jì)劃啟動(dòng)10億歐元用于推動(dòng)量子通信和量子技術(shù)的發(fā)展。日本也制定了量子信息技術(shù)長期發(fā)展路線圖。

雖然在全球量子通信競(jìng)賽中，中國起步并非最早，但是在科學(xué)家們的不懈努力下，目前中國在量子通信領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“彎道超車”。

潘建偉團(tuán)隊(duì)在2007年首次實(shí)現(xiàn)安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)，2016年又將最安全距離提高到400公里；2016年中國發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星；2017年世界首條量子保密通信干線——“京滬干線”正式開通……潘建偉表示，希望到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(jì)算領(lǐng)域有所作為。（本報(bào)記者 吳月輝）

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