作者:蒋家平 来源:中国科学报 发布时间:2013-5-31 7:48:24
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量子保密通信何时实现“全球通”

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“古人在信封上用火漆封口,一旦信件被中途拆开,就会留下泄密的痕迹。量子密钥在量子通信中的作用就像火漆一样,但比火漆更彻底。一旦有人试图打开信件,量子密钥会让信件自毁,并让使用者知晓。”
 
■本报记者 蒋家平
 
信息社会里,密码无处不在。相比忘记密码所造成的烦恼而言,密码失窃有可能造成的损失则要严重得多。有没有一种不被破译的密码,能给人类带来可靠的安全保障呢?
 
“在不久的将来,量子保密通信将有可能走向大规模应用,成为保障未来信息社会通信安全的关键技术。”中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室教授刘乃乐在接受《中国科学报》记者采访时表示。
 
从“腰带情报”到量子保密
 
公元前405年,伯罗奔尼撒战争末期,雅典间谍从波斯帝国带回一条布满杂乱无章的希腊字母的普通腰带,当腰带呈螺旋形缠绕在剑鞘上时,毫无规律可循的字母就变成了一段文字。这被认为是世界上最早的密码情报。
 
2400多年来,密码作为保护信息的手段在军事、外交、经济、生活等众多领域得到了广泛的应用,而密码学也得以飞速发展。然而,尽管经历了手工加密、机器编码、计算机编码等不断升级的过程,密码变得越来越复杂、越来越可靠,但迄今无论什么样的高级密码,都有被破解的可能。
 
那么,有没有一种绝对安全可靠而不被破译的密码存在呢?“现代量子信息理论与实验的快速发展使这一切变成可能。”刘乃乐说。
 
一般而言,保密通信可以分为“加密”、“接收”、“解密”三个过程,发送者将发送内容通过某种加密规则(密钥)转化为密文,接收者在接到密文后采用与加密密钥匹配的解密密钥对密文进行解密,得到传输内容。
 
量子保密通信的过程也是相同的,只不过作为加密和解密的密钥不再是传统的密码,而是改用微观粒子携带的量子态信息。这一看似微小的变化,却使密钥的安全性产生了翻天覆地的变化。
 
“古人在信封上用火漆封口,一旦信件被中途拆开,就会留下泄密的痕迹。”中科院院士、中国科大教授潘建伟打比方说,量子密钥在量子通信中的作用就像火漆一样,但比火漆更彻底。一旦有人试图打开信件,量子密钥会让信件自毁,并让使用者知晓。这样,窃听者不但窃听不到量子通信的内容,还会暴露自己。因此,从原理上说,无论破译者掌握了多么先进的窃听技术、多强大的破译能力,只要量子力学规律成立,量子保密通信就无法被破解。
 
国际竞争日趋激烈
 
1984年,IBM华生实验室工程师本奈特和布拉萨德提出全新的通信协议,叩开量子保密通信的大门。从那以后,由于量子通信技术诱人的应用前景,西方发达国家,特别是欧盟、美国和日本均投入了大量的人力物力进行理论和实验研究。
 
近十几年来,量子通信的距离和速率都有了飞跃式的提升,通信距离已经超过了200公里。一些小规模的量子通信试验网已经建成,验证了量子通信技术网络化的可行性,并在国家安全、金融等信息安全领域开始发挥作用。2004年奥地利银行作为世界上首个采用量子通信的银行,利用该技术将一张重要支票从市长处传至银行;2007年瑞士全国大选的选票结果传送过程也采用了量子保密通信技术,以保证结果的绝对安全。
 
“下一步的国际竞争将更加激烈,人类将致力于将量子保密通信向更远距离和更大规模的广域网络发展。”刘乃乐介绍说,欧盟提出的欧洲量子通信未来发展目标,将重点发展量子中继和卫星量子通信,实现千公里量级的量子密钥分发;日本国立信息通信研究院计划到2040年建成极限容量、无条件安全的广域光纤与自由空间量子通信网络;美国洛斯阿拉莫斯国家实验室过去几年中则一直在悄悄创建一套辐射状的量子互联网。
 
“中国军团”后来居上
 
在量子保密通信这场国际化竞争中,我国尽管属于后来者,但起点高,进展快,在应用研究的多个方面已经达到了世界先进水平,其中在城域量子通信关键技术方面已经达到了产业化要求,产业化预备方面与欧美处于同等水平状态。
 
在量子通信技术的网络化研究方面,中国科大潘建伟小组于2008年建成光量子电话网,实现了“一次一密”加密方式的实时网络通话,使得我国在实用化量子网络通信研究方面在国际上走在了前列。美国《科学》杂志以“量子电话”为题进行了报道,并评论道:“有了这样的演示,量子私密进入千家万户不会是很遥远的未来。”2009年,中国科大郭光灿小组在安徽芜湖建成了“量子政务网”,通过该网络可以完成任意两点之间的无条件安全保密通信。
 
2012年初,基于潘建伟小组的研究成果,世界上规模最大的46节点的量子通信试验网在安徽省合肥市建成,标志着大容量的量子通信网络技术已经取得了关键突破;与此同时,新华社和中国科大合作建设的金融信息量子通信验证网在北京开通,在世界上首次实现了利用量子通信网络对金融信息的安全传输。
 
潘建伟小组还在量子存储和量子中继器技术方面处于国际领先地位,2012年,该小组成功实现了3.2毫秒的存储寿命及73%的读出效率的量子存储,为目前国际上量子存储综合性能指标最好的实验结果。
 
量子卫星助力量子保密“全球通”
 
“量子保密通信技术的实际应用将分三步走:一是通过光纤实现城域量子通信网络;二是通过量子中继器实现城际量子通信网络;三是通过卫星中转实现可覆盖全球的广域量子通信网络。”潘建伟认为,目前,我国量子保密通信技术在城域网上的使用已经基本成熟,已经可以推广;城际量子通信网络方面,连接北京和上海的千公里光纤量子通信骨干网工程“京沪干线”已经正式立项,有望在两到三年内投入使用。
 
但要实现广域的量子保密通信,还需要借助卫星。这主要是因为大气对某些特定波长的光子吸收非常小,而且大气层以外几乎是真空,因此量子信息的携带者光子在外层空间传播时几乎没有损耗。如果能够在技术上实现纠缠光子在穿透整个大气层后仍然存活并保持其纠缠特性,就有望克服光纤传输的弱点,将量子通信的距离大幅度提高,甚至达到覆盖全球的范围。
 
目前,我国广域量子通信网络计划已经开始,潘建伟团队作为国内唯一开展星—地自由空间量子通信实验研究的团队,牵头组织了中科院战略先导专项“量子科学实验卫星”,计划在2016年左右发射量子科学实验卫星,在此基础上将实现高速的星地量子通信并连接地面的城域量子通信网络,初步构建我国广域量子通信体系。
 
为实现这一目标,潘建伟小组多年来在自由空间(星—地)量子通信方面开展了一系列研究,并取得重要进展。2005年,在世界上第一次实现了13公里自由空间量子通信实验,证实了星—地量子通信的可行性;2012年,在青海湖完成百公里自由空间量子态隐形传输与纠缠分发实验;2013年,在国际上首次成功实现了星地量子密钥分发的全方位的地面验证,为实现基于星—地量子通信的全球化量子网络奠定了坚实的技术基础。
 
可以预想,随着量子通信技术的产业化和广域量子通信网络的实现,在不久的将来,作为保障未来信息社会通信安全的关键技术,量子保密通信将有望走向大规模应用,成为电子政务、电子商务、电子医疗、生物特征传输和智能传输系统等各种电子服务的驱动器,为当今信息化社会提供基础的安全服务和最可靠的安全保障。
 
《中国科学报》 (2013-05-31 第12版 新知)
 
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