從“天地一體”到“移動(dòng)組網(wǎng)”，它是如何“煉成”的

近一兩年里，隨著有關(guān)量子科技的報(bào)道越來(lái)越多地出現(xiàn)在眼前，我們恐怕再也不能僅僅停留在“遇事不決，量子力學(xué)”的認(rèn)知水平了。我們知道，量子科技主要包括量子計(jì)算和量子通信兩大技術(shù)領(lǐng)域。與處在起步階段的量子計(jì)算不同，量子通信技術(shù)早已完成了理論的驗(yàn)證，已經(jīng)進(jìn)入快速產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的階段。

最近，我國(guó)在量子通信領(lǐng)域又取得了一些關(guān)鍵進(jìn)展。1月初，中國(guó)科技大學(xué)宣布成功實(shí)現(xiàn)跨越4600公里的星地量子密鑰分發(fā)，這標(biāo)志著我們基本構(gòu)建起天地一體化廣域量子通信網(wǎng)，也證明了廣域量子保密通信技術(shù)初步具備大規(guī)模應(yīng)用的成熟條件。緊接著，南京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)成功通過(guò)兩架無(wú)人機(jī)空中編組，首次使用光學(xué)中繼，在兩個(gè)相距1千米的地面站之間實(shí)現(xiàn)糾纏光子分發(fā)，實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)移動(dòng)量子組網(wǎng)。實(shí)驗(yàn)的成功意味著我們?cè)诹孔?a href="http://wenjunhu.com/tongxin/" target="_blank">通信網(wǎng)絡(luò)上有了更多樣的應(yīng)用場(chǎng)景選擇。

顯然，無(wú)論是廣域量子通信網(wǎng)的建成，還是移動(dòng)量子網(wǎng)絡(luò)的成功實(shí)驗(yàn)，對(duì)于很多人而言，只會(huì)不明覺(jué)厲。因此，如果想搞清楚以上這些量子通信技術(shù)到底有何“含金量”，又對(duì)我國(guó)的量子通信產(chǎn)業(yè)有著怎樣的影響，仍然值得我們?nèi)プ鲆环?xì)致解讀。不過(guò)，在回答這兩個(gè)問(wèn)題之前，首先需要先對(duì)“量子通信”本身做一下簡(jiǎn)單介紹。

量子通信：將信息加密進(jìn)行到底

信息通信技術(shù)在今天的重要性已經(jīng)毋庸置疑。5G，作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)，正在廣泛應(yīng)用在我們的日常生活中，相比之下，量子通信還是一個(gè)非常時(shí)髦但又讓普通人不明所以的存在。量子通信到底是怎么回事，對(duì)我們大眾的生活有哪些影響呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，量子通信屬于量子信息科學(xué)的一大分支。量子信息科學(xué)，顧名思義是由量子力學(xué)和信息科學(xué)組成的交叉學(xué)科。按照信息科學(xué)中“計(jì)算”和“通信”兩大主題，量子信息科學(xué)的研究也分為“量子計(jì)算”和“量子通信”。量子通信就是利用量子力學(xué)特性進(jìn)行信息傳遞的新型通信方式。

第一個(gè)問(wèn)題，信息通信技術(shù)為啥需要跟量子力學(xué)“糾纏”在一起呢？對(duì)于信息通信，特別是遠(yuǎn)距離信息通信來(lái)說(shuō)，一直要解決的兩大難題。

第一大難題是信息傳輸?shù)男?，包括傳輸率和?zhǔn)確率，這些由一系列不斷演進(jìn)的技術(shù)來(lái)保證，從最初的烽火臺(tái)、到旗語(yǔ)，再到電報(bào)的摩爾斯電碼、有線電話、光纜通信、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等等。這部分我們都很熟悉，不再贅述。

第二個(gè)難題就是信息傳輸?shù)陌踩?，也就是信息加密通信的?wèn)題。信息加密通信的重要性，普通人可能沒(méi)有切身感受。第二次世界大戰(zhàn)期間，正是由于英國(guó)政府破解了德軍使用的一種號(hào)稱無(wú)法破譯的恩尼格碼密碼機(jī)，從而大大扭轉(zhuǎn)了二戰(zhàn)歐洲戰(zhàn)場(chǎng)的戰(zhàn)局，加速了德國(guó)的戰(zhàn)敗。如今，加密通信更是成為了互聯(lián)網(wǎng)、金融、軍事等幾乎所有需要信息通信的場(chǎng)景的基石。

在量子通信出現(xiàn)以前，傳統(tǒng)的加密通信只有兩種方式：

一種信息加密方式是“對(duì)稱密碼機(jī)制”。傳輸雙方掌握同一套密鑰，傳輸方用密鑰將明文轉(zhuǎn)換成密文，接收方用它將密文變換回原文。雙方共享的這一套密鑰或者說(shuō)密碼本，如果第三方不掌握密碼本，理論上基本永遠(yuǎn)無(wú)法破譯這套加密信息。但是密鑰會(huì)需要一個(gè)信使來(lái)進(jìn)行傳遞，在抗戰(zhàn)時(shí)期，地下工作者的一個(gè)工作就是充當(dāng)信使來(lái)傳遞密碼本的。這里會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)安全問(wèn)題，一個(gè)就是信使叛變，一個(gè)是密碼本被截獲，只要第三方掌握了密碼本，那么加密信息就等于是“明文”信息了。

為了克服這種問(wèn)題，數(shù)學(xué)家發(fā)明了第二種信息加密方式——“非對(duì)稱密碼機(jī)制”，或者說(shuō)“公鑰密碼機(jī)制”。只有接收方手里有一套“加密鎖”（公鑰）和“解密鑰匙”（私鑰），接收方可以把打開(kāi)的“加密鎖”公布出來(lái)，任何人，包括發(fā)送方都可以公開(kāi)獲取。發(fā)送方只需要把信息用“加密鎖”鎖起來(lái)發(fā)送給接收方，接收方再用自己的“解密鑰匙”打開(kāi)“加密鎖”，就能獲得信息。

“加密鎖”，實(shí)際上只是一道“因數(shù)分解”的數(shù)學(xué)題，是由三位名字首字母為R、S、A的數(shù)學(xué)家發(fā)明的公鑰密碼機(jī)制，現(xiàn)在也是世界上最常用的密碼體系。這套密碼機(jī)制的優(yōu)勢(shì)在于，制造密碼很簡(jiǎn)單，破解密碼很困難。第三方竊密者想要破解一個(gè)公鑰密碼，用全世界最快的計(jì)算機(jī)去計(jì)算，少則需要數(shù)萬(wàn)年，多則幾十億年。這就讓破解密碼成為一個(gè)事實(shí)上不可能的事情。

但是在理論上，只要計(jì)算速度夠快，RSA密碼被破解就是分分鐘的事情了，而恰好量子計(jì)算機(jī)可以通過(guò)量子比特的特性將破解因數(shù)分解的速度提升多個(gè)數(shù)量級(jí)，能夠輕易打破因數(shù)分解設(shè)置的計(jì)算難題。比如，分解一個(gè)300位和5000位的因數(shù)，量子算法可以將原來(lái)需要的15萬(wàn)年減少到不足1秒，從原來(lái)的50億年減少到2分鐘。雖然現(xiàn)在量子計(jì)算機(jī)還處在初級(jí)階段，只能處理六位數(shù)的因數(shù)分解，但是隨著量子計(jì)算研究的升級(jí)，傳統(tǒng)公鑰密碼系統(tǒng)將遲早被淘汰。

因?yàn)榱孔佑?jì)算的出現(xiàn)，傳統(tǒng)加密通信變成“小透明”，但是量子保密通信技術(shù)（也叫量子密鑰分發(fā)）的出現(xiàn)，再一次讓“完美加密”得以實(shí)現(xiàn)。因此，量子保密通信成為當(dāng)前量子通信技術(shù)的主要應(yīng)用，也是當(dāng)前可以走向產(chǎn)業(yè)落地的應(yīng)用。你看，“上帝關(guān)上一扇門(mén)，也會(huì)給你打開(kāi)另一扇門(mén)”，而且打開(kāi)的門(mén)還比關(guān)上的門(mén)要早一步開(kāi)啟。所謂量子保密通信，就是一種利用量子的偏振特性來(lái)完成信息加密的一種激光通信。那么，量子保密通信具體是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

（量子偏振的疊加原理）

我們知道量子力學(xué)的特征有三點(diǎn)：疊加、測(cè)量和糾纏。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，“疊加”保證了一個(gè)量子比特在偏振中可以有無(wú)限個(gè)狀態(tài)，而非數(shù)字比特只有0和1兩個(gè)狀態(tài)。疊加原理既能用來(lái)做量子計(jì)算，也能用來(lái)做量子加密?！皽y(cè)量”保證了量子的真正隨機(jī)性（randomness），量子力學(xué)的“測(cè)量”讓“眼見(jiàn)為實(shí)”失去意義，每一次測(cè)量都會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)的結(jié)果，而且測(cè)量本身也會(huì)改變結(jié)果，用在加密上就增加了傳輸錯(cuò)誤率，因此一旦有第三方“竊聽(tīng)”，通信雙方就能立刻發(fā)現(xiàn)。

“糾纏”就更厲害了，量子糾纏可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)粒子的超遠(yuǎn)距離的通信同步，不過(guò)對(duì)于量子加密來(lái)說(shuō)，就有點(diǎn)像“火箭送快遞”一樣大材小用。因此，現(xiàn)在量子通信，只要充分利用量子疊加和測(cè)量的手段，單個(gè)粒子就能產(chǎn)生相同的隨機(jī)數(shù)，完成“量子密鑰分發(fā)”（quantum key distribution，QKD）。最初的單粒子加密協(xié)議是由本內(nèi)特（Charles Bennett）和波拉薩德（Gilles Brassard）在1984年提出的，因此也被稱為“BB84協(xié)議”，而當(dāng)前最先進(jìn)的誘騙態(tài)協(xié)議可以看作是8848協(xié)議的改進(jìn)版。

具體的量子加密的方式不再贅述，我們可以直接和傳統(tǒng)加密的效果做下對(duì)比：

傳統(tǒng)對(duì)稱密碼機(jī)制可以做到：（1）密文被截獲但不會(huì)被破譯；（2）僅靠計(jì)算無(wú)法破解，而傳統(tǒng)非對(duì)稱密碼機(jī)制，可以做到；（3）無(wú)需傳遞密鑰的信使；（4）在每次使用前直接產(chǎn)生密鑰，平時(shí)不需要保存密鑰，但需要依賴數(shù)學(xué)計(jì)算的復(fù)雜性做到“密文的不可破譯”。因此，這兩種方式都無(wú)法做到“完美加密”。

而量子保密通信不僅能同時(shí)做到以上四點(diǎn)，具備了計(jì)算意義上的“完美加密”性，而且因?yàn)榱孔拥牟豢煽寺⌒裕诹孔用荑€分發(fā)過(guò)程中，量子信號(hào)一旦遭到竊聽(tīng)，通信雙方立刻就能發(fā)現(xiàn)，從而及時(shí)終止通信或更換信道通信，甚至還可以利用一些光學(xué)技術(shù)，確定竊聽(tīng)者的位置。這一點(diǎn)是傳統(tǒng)加密技術(shù)根本無(wú)法做到的。因此，量子加密通信又被稱為（計(jì)算上）“絕對(duì)安全”的加密技術(shù)。

當(dāng)然，以上只是從理論上證明了量子密鑰分發(fā)的可用性，但量子密鑰分發(fā)在一開(kāi)始，可以實(shí)現(xiàn)的通信距離非常短，根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。因此，想要讓量子通信走進(jìn)現(xiàn)實(shí)世界，就必須建造出可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)牧孔油ㄐ畔到y(tǒng)。

從30厘米到4600公里，從單線連接到“天地空一體”

1988年，IBM實(shí)驗(yàn)室首次實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)意義的量子保密通信。當(dāng)時(shí)，研究者通過(guò)上下偏振和左右偏振呈現(xiàn)的量子態(tài)來(lái)分別代表兩套測(cè)試方法，最終使得兩臺(tái)計(jì)算機(jī)在30厘米距離的線路連接下實(shí)現(xiàn)了量子通信，證明了量子保密通信的可行性，而此后如何增加量子通信距離，就成為量子保密通信最主要的任務(wù)。1995年，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)首次做到了距離23公里的量子保密通信。2002年，美國(guó)BBN公司、哈佛大學(xué)和波士頓大學(xué)開(kāi)始聯(lián)合建造DARPA網(wǎng)絡(luò)，并在2009年完成了城域量子保密通信實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。

2003年，韓國(guó)、中國(guó)、加拿大等國(guó)學(xué)者提出了誘騙態(tài)量子密碼理論方案，在現(xiàn)有技術(shù)條件和真實(shí)系統(tǒng)的狀況下，大幅提高了量子通信的安全傳輸距離。中科大潘建偉團(tuán)隊(duì)在2010年時(shí)候可以做到16公里的量子通信，到2012年成功推進(jìn)到百公里級(jí)別，并首次證明了衛(wèi)星與地面站間進(jìn)行量子通信的可行性。

2016年8月，中國(guó)成功發(fā)射世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，該衛(wèi)星既實(shí)現(xiàn)了上千公里的星地高速量子密鑰分發(fā)，又實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離地星量子隱形傳態(tài)，從而將極大推動(dòng)量子通信的實(shí)用化。2016年底，全球首條量子保密通信骨干線——“京滬干線”貫通，通過(guò)量子中繼站，構(gòu)建起連接北京、上海，貫穿濟(jì)南和合肥全長(zhǎng)2000余公里的量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)。也就是通過(guò)墨子號(hào)和京滬干線連接，建成這條“跨越4600公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)”。

（《Nature》論文圖：天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)示意圖）

墨子號(hào)和地面的量子保密通信是通過(guò)真空和大氣層傳遞，光信號(hào)傳輸基本不會(huì)衰減，因此可以實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的自由空間信道傳輸。而京滬干線采用光纖QKD鏈路傳輸，盡管不受外界環(huán)境影響，但是光信號(hào)衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致必須使用可信中繼方案進(jìn)行城域、城際的傳輸。理解了這兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，我們也就能夠理解南京大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出的“以無(wú)人機(jī)為光學(xué)中繼”的方式進(jìn)行量子密鑰分發(fā)，所具有“即搭即用、靈活機(jī)動(dòng)”的特點(diǎn)，正好可以實(shí)現(xiàn)和光纖地基和衛(wèi)星天基量子鏈路的功能互補(bǔ)。

未來(lái)，基于高低空無(wú)人機(jī)所搭建的移動(dòng)量子鏈路可以向著“低空小型化”和“高空遠(yuǎn)距離”兩個(gè)方向發(fā)展，最終目標(biāo)是可以建立多節(jié)點(diǎn)連接的自由空間的量子鏈路網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)過(guò)30多年的演進(jìn)發(fā)展，從厘米級(jí)別到數(shù)千公里級(jí)別、從單線連接到城域、城際網(wǎng)絡(luò)，再到天地一體量子通信網(wǎng)絡(luò)，量子通信已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的階段當(dāng)中。

暫時(shí)領(lǐng)先，道阻且長(zhǎng)

說(shuō)到這里，大家可能都非常關(guān)心一個(gè)問(wèn)題，那就是在全球量子通信產(chǎn)業(yè)競(jìng)賽中，中國(guó)處在一個(gè)怎樣的位置？這一次我們可以不客氣地說(shuō)，中國(guó)的量子通信暫時(shí)取得了領(lǐng)先。首先，和美國(guó)、歐盟量子通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)力對(duì)比，我國(guó)廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)已具有大幅領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

去年，歐盟發(fā)布的《量子旗艦計(jì)劃戰(zhàn)略研究議程》中提到：“未來(lái)3年愿景是利用QKD協(xié)議和具有可信中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全球范圍的安全密鑰分發(fā)，6-10年愿景是使用量子中繼器在光纖上實(shí)現(xiàn)800公里以上的量子通信?！倍绹?guó)去年發(fā)布的《量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略愿景》中提出：“未來(lái)5年，美國(guó)將展示量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)，從量子互連、量子中繼器、量子存儲(chǔ)器到高通量量子信道，以及洲際天基糾纏分發(fā)?！?/p>

從這兩家的量子戰(zhàn)略時(shí)間表來(lái)比較，我們領(lǐng)先歐盟3至5年，領(lǐng)先美國(guó)則有5至8年。其次，從量子通信領(lǐng)域的專利數(shù)、申請(qǐng)專利的機(jī)構(gòu)以及量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定來(lái)看，中國(guó)企業(yè)同樣占據(jù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。比如，在量子通信技術(shù)專利數(shù)排名世界前十的機(jī)構(gòu)中，有7家都是中國(guó)的。

另外，現(xiàn)在中國(guó)量子通信產(chǎn)業(yè)化規(guī)模正在加速增長(zhǎng)。根據(jù)數(shù)據(jù)，2017年中國(guó)量子通信行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到180億元，到2023年將達(dá)到805億元。量子通信技術(shù)正在金融、政務(wù)、國(guó)防、電子信息等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。盡管當(dāng)前取得暫時(shí)的領(lǐng)先，但是我們也依然要清醒地認(rèn)識(shí)到量子通信領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)才剛剛開(kāi)始。按照Gartner的技術(shù)成熟度曲線，量子通信產(chǎn)業(yè)仍然處在商業(yè)化早期階段。接下來(lái)，我們要繼續(xù)完成量子通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，也要在量子通信產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、小型化方向加強(qiáng)投入，從而豐富量子通信的應(yīng)用場(chǎng)景。

而在未來(lái)，我們的目標(biāo)是基于遠(yuǎn)距離、可擴(kuò)展、大規(guī)模的量子通信網(wǎng)絡(luò)，將分布在各地的量子信息處理器互聯(lián)，率先建成可以承載量子信息的“量子互聯(lián)網(wǎng)”。而同樣，量子互聯(lián)網(wǎng)也是歐美國(guó)家量子戰(zhàn)略的最終目標(biāo)。可以預(yù)見(jiàn)，在接下來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間，我國(guó)和歐盟、美國(guó)展開(kāi)一場(chǎng)不亞于如今半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)激烈互博的技術(shù)競(jìng)賽。如果我們想要繼續(xù)在量子通信領(lǐng)域保持優(yōu)勢(shì)，則仍然要在量子信息領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化制定、基礎(chǔ)理論研究，以及從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)到應(yīng)用推廣的產(chǎn)業(yè)化方面，都必須保持足夠的投入和創(chuàng)新。

從根本上來(lái)說(shuō)，量子科技人才短缺仍然是阻礙量子科技發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)力提升的重要因素。因此，無(wú)論量子信息科學(xué)看起來(lái)多么深?yuàn)W，學(xué)起來(lái)多么艱澀，但是在未來(lái)一定將會(huì)成為一門(mén)大眾必學(xué)必修的一門(mén)基礎(chǔ)課程。只有這樣，大批的量子信息專業(yè)人才也才能涌現(xiàn)。最終，希望這篇文章能夠成為引導(dǎo)讀者關(guān)注量子信息科學(xué)和量子通信產(chǎn)業(yè)的一個(gè)契機(jī)。

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