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　　人類(lèi)真的可以實(shí)現(xiàn)安全的信息傳送嗎？這到底是夢(mèng)想，還是現(xiàn)實(shí)？

　　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(xué)者和學(xué)生趕來(lái)參加中國(guó)科學(xué)院與德國(guó)國(guó)立科學(xué)院（Leopoldina）聯(lián)合舉辦的第一屆雙邊研討會(huì)。會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)潘建偉作了題為“夢(mèng)想還是現(xiàn)實(shí)？量子通信的過(guò)去、現(xiàn)在與未來(lái)”的報(bào)告。

　　對(duì)信息的安全傳輸是數(shù)千年來(lái)人類(lèi)一直追求的夢(mèng)想。理論上，所有依賴(lài)于計(jì)算復(fù)雜度的經(jīng)典加密方法原理上都可以被破解，因此在歷史發(fā)展中，經(jīng)典密碼學(xué)的每一次進(jìn)步都被破解技術(shù)的進(jìn)步所擊敗。那么人類(lèi)能否發(fā)明一種密碼工具來(lái)確保信息傳輸?shù)陌踩?？具體而言，該如何在相距遙遠(yuǎn)的兩地實(shí)現(xiàn)安全的密鑰分配呢？

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

　　潘建偉在報(bào)告中指出，在人類(lèi)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離安全量子通信的征途上有兩大挑戰(zhàn)，分別是現(xiàn)實(shí)條件下的安全性問(wèn)題和遠(yuǎn)距離傳輸問(wèn)題。

　　量子密鑰分發(fā)因其具有理論上的無(wú)條件安全性而備受關(guān)注，但是在實(shí)際系統(tǒng)中，量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)會(huì)由于設(shè)備的非完美性而存在安全性漏洞。由于量子密鑰分發(fā)過(guò)程中，線(xiàn)路的安全性是可以嚴(yán)格保障的，因此可能的安全性漏洞就集中在發(fā)射端和接收端。誘騙態(tài)方案和“測(cè)量器件無(wú)關(guān)”方案分別解決了上述兩端的安全性漏洞。這兩個(gè)方案均率先被潘建偉團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)。

　　潘建偉介紹道，結(jié)合“測(cè)量器件無(wú)關(guān)”方案與自主可控的光源，量子密鑰分發(fā)就可以達(dá)到“信息論可證”的安全性。因此，目前現(xiàn)實(shí)條件下量子密鑰分發(fā)的安全性已經(jīng)很好地建立起來(lái)了。

　　迄今為止，在地面實(shí)驗(yàn)中，量子密鑰分發(fā)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)距離可達(dá)到500千米量級(jí)，而量子隱形傳態(tài)可達(dá)到100千米。那么，如何在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增加量子通信的距離呢？

　　一個(gè)階段性的解決方案是可信中繼傳輸，我國(guó)建設(shè)的光纖總長(zhǎng)超過(guò)2000千米的“京滬干線(xiàn)”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(diǎn)的安全，而中繼之間的線(xiàn)路則是安全的。這比傳統(tǒng)通信手段中整條線(xiàn)路處處都面臨著信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)而言，大幅提高了安全性。

　　更為長(zhǎng)遠(yuǎn)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(chǔ)等手段，可以在遙遠(yuǎn)地點(diǎn)間分發(fā)量子糾纏，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通信。潘建偉團(tuán)隊(duì)在量子中繼的核心環(huán)節(jié)取得了一系列重要成果，目前已可支持通過(guò)量子中繼實(shí)現(xiàn)500千米的量子通信。但是量子中繼器的實(shí)際應(yīng)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(wèi)星的量子通信技術(shù)。這種手段不受地球表面障礙物的影響，在外太空也幾乎沒(méi)有衰減。我國(guó)于2016年研制成功并發(fā)射國(guó)際上首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)星地量子通信實(shí)驗(yàn)，充分驗(yàn)證了這一技術(shù)的可行性。

　　報(bào)告中，潘建偉展望量子通信的未來(lái)，描繪了一幅令人遐想的圖景：通過(guò)量子衛(wèi)星與地面光纖網(wǎng)絡(luò)，并與經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)相融合，未來(lái)將可形成覆蓋全球的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)，全面提升信息安全水平。而利用廣域的量子通信網(wǎng)絡(luò)，人類(lèi)可以發(fā)展出空間分辨率極高的望遠(yuǎn)鏡技術(shù)；也可以構(gòu)建高精度的光頻率傳遞網(wǎng)絡(luò)，精度相比現(xiàn)在的微波時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)可以提高4個(gè)數(shù)量級(jí)。而“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星發(fā)展的空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，也為物理學(xué)基本原理研究提供了全新的平臺(tái)。例如，最近潘建偉團(tuán)隊(duì)利用“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星對(duì)Event Formalism量子引力模型進(jìn)行了檢驗(yàn)，首次對(duì)量子力學(xué)和引力的融合進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探索。利用高軌空間極低的引力和磁場(chǎng)噪聲，未來(lái)還有望實(shí)現(xiàn)精度高達(dá)10-21的光鐘，將會(huì)促進(jìn)對(duì)引力波信號(hào)，特別是低頻信號(hào)的探測(cè)，可以揭示更為豐富的天文現(xiàn)象。

　?。ㄔd于《科技日?qǐng)?bào)》 2019-09-11 01版）