作者: 赵广立 来源:中国科学报 发布时间:2017/6/29 11:20:08
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量子通信应用觅路

 在量子技术领域被认为可能最先可用的是量子密码和量子通信相关技术。图片来源:百度图片

■本报记者 赵广立

6月27日,中科院院士、中国科技大学常务副校长潘建伟在上海一场报告会上以《让中国的量子科学“领跑”世界》为题的报告中提到:“如果说量子信息是一棵竹子,过去一直在泥土中酝酿破土,现在则到了破土而出的时候。”随即他提出,如果这棵竹子“被栽在花盆里,最多就长成盆景,如果长在山林中,就可能发展成一片竹林”。

言下之意,潘建伟认为当前中国在量子信息方面面临着领跑的机会,应该创造环境大力发展。

《中国科学报》记者在产业层面也听到了类似的声音。在近日由阿里技术举办的“阿里技术下午茶”活动上,阿里巴巴集团首席通信科学家谢崇进在与记者交流中谈到,美国的谷歌、IBM、微软等企业都在量子计算等领域有大手笔的布局和很认真的研究,中国企业在这方面“还太少”。

曲高和寡,是科技企业不肯为量子技术的高研发成本买单,还是量子的世界太过玄妙,让务实的企业家们看不到希望?

率先“吃螃蟹”的企业

在量子技术领域,被认为最具颠覆性的方向是量子计算以及量子计算机,而被认为可能最先可用或最容易商业化的,则是量子密码和量子通信相关技术。

阿里巴巴是国内少有的在量子通信领域高调布局的企业:2015年阿里与中科院成立的量子计算实验室,成为中国首个大力投入量子信息科学的中国科技公司。今年3月,阿里云发布“全球首个云上量子通信商用服务”,认为“由此打开了量子信息科学普惠发展之门”。

“2013年至今,阿里在量子通信技术上投入巨大资源,产出的专利就达数十项,包括量子密钥分配(QKD)的算法实现、系统架构,QKD和云计算结合的应用,量子通信云服务,以及量子通信和可信计算的结合等方面。”谢崇进自认,阿里的量子通信团队挑战的是“无人区式”科学难题,这些难题在全球范围内都是挑战。

不过阿里人坚定认为,量子通信的社会价值广泛。阿里巴巴资深专家石犀就是代表,他认为,量子通信不仅可用于军事、国防等国家级保密领域,还可用于金融、数据中心、物联网、区块链等国民经济领域。

按照阿里巴巴董事局主席马云此前宣布的“NASA”计划,阿里目前正在为20年后储备核心科技,以实现“换道超车”,服务全球20亿人,成为世界第五大经济体。量子信息正是“NASA”计划中正在储备的核心科技之一。

“量子通信的加密技术被科学界认为是目前无法被破解的信息保密技术,阿里巴巴除了持续深耕量子通信技术,还会通过阿里云向全球企业输出量子通信的安全服务”。谢崇进在当天的下午茶活动上,提出了阿里在量子通信技术上的商业逻辑:通过阿里云提供量子通信的安全服务。

尚不完备的“量子通信”

量子通信被认为“绝对安全”,则是源于量子密码技术可以天衣无缝地和密码学中被证明“可以实现无条件安全”的“一次一密”随机密码相配合。在量子密码之前,“一次一密”仅存在于理论中。

量子密码则由于量子力学的基本特性——量子的不确定性和不可克隆,使得量子密钥分配能够确保任何企图窃取传送中的密钥都会被合法用户所发现,这也是量子密钥分配所独有的优势,它在原理上保障了信息在通讯中的“绝对安全”。

不过,当前量子密码技术在应用上还面临一些障碍。中国科学院院士、中国科学院量子信息重点实验室主任郭光灿曾告诉《中国科学报》记者,量子密码系统现在还有实际安全性问题,即由于器件等的非理想性导致安全性漏洞。例如单粒子探测效率难以达到百分之百,就会产生传输损耗。而这种非理想因素下的漏洞就有可能被窃听者用来窃取密钥。

另外,郭光灿指出,就算人们设计出与设备完全无关的量子密码协议,但因随机数的真伪、合法用户的识别等问题仍然难以做到密钥的“绝对安全”。

郭光灿堪称是我国量子信息乃至量子力学领域的奠基人之一,他多次公开表示殷切看到我国能在量子信息、量子计算等技术领域抓住机会,实现从跟踪到引领的跨越,但他坚持类似于量子科学技术这种新兴手段,更要脚踏实地、一步一个脚印地来。

“量子密码系统必须能经受得住现有所有可能手段的攻击才可以大规模应用。”郭光灿表示。

同时,也有学者指出,应用了量子密码技术并不等同于实现了量子通信。“现阶段的量子通信,只是利用了‘量子保密技术’的经典通信,它恰当的名称或许应为‘量子保密通信’。真正的量子通信有其明确内涵,即将信息编码在量子比特上,在量子通道上将量子比特由甲方传给乙方,直接实现信息的传递。”相关学者表示,这种真正的量子通信,目前仍处于基础研究阶段,离实际应用还很遥远。

“量子中继”等问题待解

自量子密码理论提出以来,距今已有30多年的历程。郭光灿曾于2016年总结了30余年来所取得的成就:目前可以达到的水平是,在百公里范围的城域网,量子密码体系可以做到密钥分配在各种攻击下是安全的;当前的安全密钥生成率在25公里可确保高清视频“一次一密”,在100公里内能确保音频、文字、图片等的“一次一密”。

在科研阶段,如今量子保密通信最远的世界纪录,是去年11月我国科学家实现的超过400公里可抵御黑客攻击的测量设备无关量子密钥分发。

“可以制定‘量子密码标准’,推广应用。不过随着攻击技术水平的提高,现有相对安全的量子密码也可能会被攻击,到那时要随之更新‘量子密码标准’。”郭光灿特别提到,量子密码体系必须确保安全密钥的生成率足够高,才能达到视频等信息“一次一密”加密的需求。

此外,量子通信还受制于量子的不可克隆定理,携带量子信息的光子不可以像经典通信中的中继放大那样把信号进行放大,光子在光纤中传播会有损耗,因此目前的技术只能实现百公里量级的传播。目前,实现远距离量子通信的有效手段是“量子中继”。然而由于“量子中继”的研制受到可实用的量子存储器和确定性纠缠光子源的限制,目前仍然处于基础研究阶段。

“目前量子通信网络中用到的中继是一种叫可信中继,即可能是通过人工把量子态信息读取出来以后,再进行重新制备。我们只能无条件相信这个操作是可信的。”谢崇进告诉记者,可信中继是在量子中继实现之前的“权宜之计”。

记者了解到,在欧盟发布的《量子信息处理和通信:欧洲研究现状、愿景与目标战略报告》中,欧洲就将“重点发展量子中继和卫星量子通信,实现1000公里量级的量子密钥分配”写入了欧洲未来五年和十年量子信息的发展目标。

“随着云计算的广泛使用,人们对数据安全的要求越来越高。此外量子计算可能在不远的将来成为现实,如何建立量子时代的信息安全渐渐在世界范围内成为一个研究热点。”谢崇进对记者说,尽管问题重重,量子保密通信作为目前安全等级最高的加密技术,正逐渐得到业界的认可。

“2013年阿里巴巴就开始对量子通信进行深入研究,2015年中完成量子传送门的开发。”尽管对现有技术的具体应用讳莫如深,谢崇进告诉记者,“这种新兴的技术,总得有人去探索,不是么?”

《中国科学报》 (2017-06-29 第6版 前沿)
 
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