公元前405年，伯羅奔尼撒戰(zhàn)爭(zhēng)末期，雅典間諜從波斯帝國(guó)帶回一條布滿(mǎn)雜亂無(wú)章的希臘字母的普通腰帶，當(dāng)腰帶呈螺旋形纏繞在劍鞘上時(shí)，毫無(wú)規(guī)律可循的字母就變成了一段文字。這被認(rèn)為是世界上最早的密碼情報(bào)。

2400多年來(lái)，密碼作為保護(hù)信息的手段，在軍事、外交、經(jīng)濟(jì)、生活等領(lǐng)域得到全方位應(yīng)用。然而，盡管經(jīng)歷了手工加密、機(jī)器編碼、計(jì)算機(jī)編碼等不斷升級(jí)的過(guò)程，密碼變得越來(lái)越復(fù)雜、越來(lái)越可靠，但迄今無(wú)論什么樣的高級(jí)密碼，依然都有被破解的可能。

那么，有沒(méi)有一種絕對(duì)不被破譯的密碼，能讓傳送的信息安全可靠？

“現(xiàn)代量子信息理論與實(shí)驗(yàn)的快速發(fā)展，有望破解這一難題。”中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室教授劉乃樂(lè)說(shuō)。

量子通信很保密

一旦有人試圖打開(kāi)信件，量子密鑰會(huì)讓信件自毀

量子理論認(rèn)為，微觀領(lǐng)域里，某些物質(zhì)可以同時(shí)處于多個(gè)可能狀態(tài)的疊加態(tài)，只有在被觀測(cè)或測(cè)量時(shí)，才會(huì)隨機(jī)地呈現(xiàn)出某種確定的狀態(tài)。因此，對(duì)物質(zhì)的測(cè)量意味著干涉，改變被測(cè)量物質(zhì)的狀態(tài)。基于這一原理，科學(xué)家們提出量子密碼的概念，也就是用具有量子態(tài)的物質(zhì)作為密碼。這樣一來(lái)，任何截獲或測(cè)試量子密碼的操作，都會(huì)改變量子狀態(tài)。換言之，截獲量子密碼的人得到的只是無(wú)意義的信息，而信息的合法接收者也可以從量子態(tài)的改變中知道量子密碼曾被截取過(guò)。量子密碼被應(yīng)用于量子通信系統(tǒng)中，便是所謂的“量子保密通信”。

　　蔡華偉制圖

　　廣域量子信息示意圖

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖

傳統(tǒng)的保密通信可以分為“加密”、“接收”、“解密”三個(gè)過(guò)程，發(fā)送者將發(fā)送內(nèi)容通過(guò)某種加密規(guī)則（密鑰）轉(zhuǎn)化為密文，接收者在接到密文后采用與加密密鑰匹配的解密密鑰對(duì)密文進(jìn)行解密，得到傳輸內(nèi)容。

量子保密通信的過(guò)程也相同，只不過(guò)作為加密和解密的密鑰不再是傳統(tǒng)的密碼，而是改用微觀粒子攜帶的量子態(tài)信息。這一看似微小的變化，使密鑰的安全性產(chǎn)生了徹底變化。

“古人在信封上用火漆封口，一旦信件被中途拆開(kāi)，就會(huì)留下泄密的痕跡。”中國(guó)科大潘建偉院士打比方說(shuō)，量子密鑰在量子通信中的作用比火漆更徹底——一旦有人試圖打開(kāi)信件，量子密鑰會(huì)讓信件自毀，并讓使用者知曉。只要量子力學(xué)規(guī)律成立，量子保密通信就無(wú)法被破解。

應(yīng)用前景誘人

量子通信的距離和速度飛躍式提升。中國(guó)是后來(lái)者，但起點(diǎn)高，進(jìn)展快

1984年，IBM華生實(shí)驗(yàn)室工程師本奈特和布拉薩德提出全新的通信協(xié)議，叩開(kāi)量子保密通信的大門(mén)。從那以后，由于量子通信技術(shù)誘人的應(yīng)用前景，西方發(fā)達(dá)國(guó)家投入了大量的人力物力進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究。

近十幾年來(lái)，量子通信的距離和速率都有了飛躍式的提升，一些小規(guī)模的量子通信試驗(yàn)網(wǎng)已經(jīng)建成，驗(yàn)證了量子通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化的可行性。

“下一步的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)將更加激烈，人類(lèi)將致力于將量子保密通信向更遠(yuǎn)距離和更大規(guī)模的廣域網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。”劉乃樂(lè)介紹說(shuō)，歐盟已提出歐洲量子通信未來(lái)發(fā)展目標(biāo)，將重點(diǎn)發(fā)展量子中繼和衛(wèi)星量子通信，實(shí)現(xiàn)千公里量級(jí)的量子密鑰分發(fā)；日本國(guó)立信息通信研究院計(jì)劃到2040年建成極限容量、無(wú)條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網(wǎng)絡(luò)；美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室過(guò)去幾年中則一直在悄悄創(chuàng)建一套輻射狀的量子互聯(lián)網(wǎng)。

在量子保密通信這場(chǎng)國(guó)際化競(jìng)爭(zhēng)中，我國(guó)盡管屬于后來(lái)者，但起點(diǎn)高，進(jìn)展快，在應(yīng)用研究的多個(gè)方面已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，其中在城域量子通信關(guān)鍵技術(shù)方面已達(dá)到產(chǎn)業(yè)化要求，產(chǎn)業(yè)化預(yù)備與歐美處于同等水平。

在量子通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化研究方面，中國(guó)科大潘建偉小組于2008年建成光量子電話(huà)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了“一次一密”加密方式的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通話(huà)。

2012年初，潘建偉小組在安徽省合肥市建成世界上規(guī)模最大的46節(jié)點(diǎn)量子通信試驗(yàn)網(wǎng)，標(biāo)志著大容量的量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已取得關(guān)鍵突破；與此同時(shí)，新華社和中國(guó)科大合作建設(shè)的金融信息量子通信驗(yàn)證網(wǎng)在北京開(kāi)通，在世界上首次實(shí)現(xiàn)利用量子通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)金融信息的安全傳輸。

潘建偉小組還在量子存儲(chǔ)和量子中繼器技術(shù)方面處于國(guó)際領(lǐng)先地位，2012年，該小組實(shí)現(xiàn)了3.2毫秒的存儲(chǔ)壽命及73%的讀出效率的量子存儲(chǔ)，為目前國(guó)際上量子存儲(chǔ)綜合性能指標(biāo)最好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

量子衛(wèi)星助力

在不久的將來(lái)，量子保密通信將有望走向大規(guī)模應(yīng)用

“量子保密通信技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用將分三步走：一是通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)；二是通過(guò)量子中繼器實(shí)現(xiàn)城際量子通信網(wǎng)絡(luò)；三是通過(guò)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)可覆蓋全球的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。”潘建偉說(shuō)。

潘建偉認(rèn)為，目前，我國(guó)量子保密通信技術(shù)在城域網(wǎng)上的使用基本成熟，已經(jīng)可以推廣；城際量子通信網(wǎng)絡(luò)方面，連接北京和上海的千公里光纖量子通信骨干網(wǎng)工程“京滬干線(xiàn)”已正式立項(xiàng)，有望在兩三年內(nèi)投入使用。

但要實(shí)現(xiàn)廣域的量子保密通信，還需要借助衛(wèi)星。這是因?yàn)榇髿鈱?duì)某些特定波長(zhǎng)的光子吸收非常小，而且大氣層以外幾乎是真空，因此量子信息的攜帶者光子在外層空間傳播時(shí)幾乎沒(méi)有損耗。如能在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)糾纏光子在穿透整個(gè)大氣層后仍然存活并保持其糾纏特性，就有望克服光纖傳輸?shù)娜觞c(diǎn)，將量子通信的距離大幅度提高，甚至達(dá)到覆蓋全球的范圍。

可以預(yù)想，隨著量子通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，在不久的將來(lái)，作為保障未來(lái)信息社會(huì)通信安全的關(guān)鍵技術(shù)，量子保密通信將有望走向大規(guī)模應(yīng)用，成為電子政務(wù)、電子商務(wù)、電子醫(yī)療、生物特征傳輸和智能傳輸系統(tǒng)等各種電子服務(wù)的驅(qū)動(dòng)器，為當(dāng)今信息化社會(huì)提供基礎(chǔ)的安全服務(wù)和最可靠的安全保障。

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目前，我國(guó)廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃已經(jīng)開(kāi)始，潘建偉團(tuán)隊(duì)作為國(guó)內(nèi)唯一開(kāi)展星—地自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)研究的團(tuán)隊(duì)，牽頭組織了中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”，計(jì)劃在2016年左右發(fā)射，在此基礎(chǔ)上將實(shí)現(xiàn)高速星地量子通信并連接地面的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建我國(guó)廣域量子通信體系。

2005年，在世界上第一次實(shí)現(xiàn)了13公里自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了星—地量子通信的可行性；

2012年，在青海湖完成百公里自由空間量子態(tài)隱形傳輸與糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)；

2013年，在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)星地量子密鑰分發(fā)的全方位地面驗(yàn)證，為實(shí)現(xiàn)基于星地量子通信的全球化量子網(wǎng)絡(luò)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。