作者:李诏宇 来源:科技日报 发布时间:2023/6/27 10:23:04
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发展量子通信为何要上天?

 

“夫事以密成,语以泄败。”从古时候贤君名臣的权争往事,到近现代大国之间的纵横捭阖,在信息传递过程中,泄密一直是人们广泛关注的一个问题。

如果一种通信方式能够实现快速、稳定、无损耗,那么庞培不会败走法萨卢斯,马谡也不会失街亭,历史上无数由信息传递失误导致的事件都将得以避免。

古人不幸今人幸。可能成功解决问题的手段,既非鸿雁传书,也非鱼传尺素,而是一个看似神秘的概念——量子通信。

6月25日至27日,世界互联网大会数字文明尼山对话在山东举办。成果展上,于2022年发射升空的“济南一号”量子微纳卫星吸引了众多目光。随着量子通信在应用领域越走越远,我们不禁开始构想:量子通信将带领人类走向怎样的未来?量子卫星在其中扮演着怎样的角色?

量子通信窃听难

作为量子通信的基础概念之一,量子在近年来的各种科幻作品中出镜率很高,但想要精确地定义它并不容易。

中国科学院量子信息与量子科技创新研究院教授级高级工程师廖胜凯介绍,量子是现代物理的重要概念,即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,则这个物理量是量子化的,最小单位被称为量子。

“量子的概念由德国物理学家普朗克提出,最早被用于解释黑体辐射这种能量现象。”廖胜凯表示,“后续的实验表明,诸如角动量、电荷、能量等其他的物理量也具有不连续变化的量子化现象,超出牛顿经典力学理论框架的量子力学也就随之产生。”

廖胜凯介绍,相比于牛顿经典力学,量子力学具有如下特征:不确定性、测量坍缩性和不可克隆性。这三大特征也成了量子通信能够实现的理论基础。

量子通信的研究内容之一就是量子密钥分发。“基于计算复杂性的传统加密技术,在原理上存在着被破译的可能性,其破译的困难程度只取决于计算力的强大与否。随着数学和计算能力的不断提升,经典密码被破译的可能性与日俱增。”廖胜凯说,“而与经典通信不同,量子密钥分发的安全性基于物理学基本原理,与计算复杂度无关。通过量子态的传输,在遥远两地的用户共享安全的密钥,利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密,这是目前人类唯一已知的不可窃听、不可破译的原理上无条件安全的通信方式。”

量子通信的另一重要内容是量子隐形传态。量子隐形传态利用量子纠缠,可以将粒子的未知量子态精确传送到遥远地点,而不用传送粒子本身。量子隐形传态是构建分布式量子信息处理网络和量子计算机的基本要素。

采用卫星传信息

“工欲善其事,必先利其器。”无线电通信等传统通信方式要求基站等有关设备的支持。量子通信作为一种先进的通信手段,自然也离不开诸多先进的设备。既然量子通信通常采用单光子作为信息传递的物理载体,人们不禁想到,直接连接一条光纤是否足以满足远距离量子通信的需要呢?

答案显然是否定的。损耗问题成了光纤法不可行的症结所在。“量子具有不可克隆原理,因此单光子量子信息不能像经典通信那样被放大。一旦传输距离较远,损耗问题就会变得极其严重。”廖胜凯指出,“根据数据测算,通过1200公里的光纤,即使有每秒百亿发射率的单光子源和完美的探测器,也需要数百万年才能传输一个比特的密钥,这显然是完全不现实的。”

1200公里的光纤或许尚可制造,但每秒百亿发射率的单光子源以及完美的探测器都不是目前技术等现实条件所能企及的,更何况人们也不可能等待数百万年来传输信息。科学家们被迫寻找其他解决问题的方向。

既然地面走不通,上天就成了一个可能的选择。“利用外太空几乎真空、光信号损耗非常小的特点,通过卫星的辅助可以大大扩展量子通信的距离。” 廖胜凯表示,“此外,由于卫星具有方便覆盖整个地球的独特优势,使用卫星进行量子通信是全球尺度上实现超远距离实用化量子通信最有希望的途径之一。”

廖胜凯介绍,按照轨道的高度划分,量子卫星可以分为低轨卫星(2000公里以下)、中轨卫星(2000—20000公里)和高轨卫星(20000公里以上)三种。“这些卫星上搭载了一些量子通信的器件,可以完成量子通信的某些任务,因此被称为量子卫星。” 廖胜凯说。

量子卫星同样可以按照重量划分,分为小卫星(100—500kg)、微卫星(10—100kg)、纳卫星(1—10kg)、皮卫星(0.1—1kg)、飞卫星(10—100g)。“一般来说,卫星越小,发射成本越低,性价比也就越高。”廖胜凯说。

廖胜凯指出,量子卫星的一个重要作用是作为中继扩展量子通信的距离,从而实现远距离、高难度的通信。“用于量子通信的地面基站(即可信中继)一般需要数十公里就布设一个,成本高且维护不易。如果采用卫星传递信息,一切问题都将迎刃而解。”廖胜凯说。

美好未来可期待

尽管量子卫星功能十分强大,但要想真正起到对广域量子通信的支撑性作用,仅仅依靠一颗量子卫星显然是不够的。需要更多的量子卫星团结协作,形成卫星组网。

廖胜凯介绍,通常来说,实现卫星组网有两类解决方案。一类是依靠大量的低轨卫星构成实时覆盖的网络。铱星计划、星链计划等均属于此类。“低轨卫星经过地面站的通信时间往往仅有数分钟,因此需要数百乃至数万颗卫星。”廖胜凯说。

另一类则主要靠中高轨卫星,如相对地面静止的地球同步轨道卫星。“地球同步轨道大约为36000千米高,也就是目前广播电视卫星、常规通信卫星所处的轨道。”廖胜凯表示,“一般来说,三颗地球同步轨道卫星即可完成全球范围覆盖。”

廖胜凯介绍,通常来说,低轨卫星轨道低、信号强、传输速率高,但是过境时间短,传输的信息量少;高轨卫星轨道高、信号弱、传输速率低,但是传输时间长,几乎可以全天时工作,传输的信息量大;中轨道卫星则处在高轨卫星和低轨卫星之间,兼有两者的特点。

“具体采用哪种形式的卫星,应根据需要选择。在一个采用卫星建立的量子网络中,往往需要综合利用三种类型的卫星。”廖胜凯表示。在量子卫星的加持下,量子通信已经取得了极大的进步。但在廖胜凯看来,想要真正实现大规模的应用,需要在政策与技术两方面继续努力。

从技术上看,量子通信还应该朝着提高码率、提升距离、降低成本等方面发展。“目前量子通信的成熟产品成码率还较低,通常仅能达到数千比特每秒(kbps)的水平,需要和对称密码算法结合使用,实现大数据率加密保护;另一方面,成熟产品的成本较高,不利于大规模推广应用。”廖胜凯介绍。

从政策上看,作为密码技术中密钥分发或者密钥协商的一种方式,量子通信需要满足密码应用的合规性,形成行业标准,之后才能广泛应用推广。“虽然通过近十年的努力,国内外初步形成和发布了一些标准,但还需加大支持力度,形成完备的体系并完善测评认证能力,才能支持规模化应用。”廖胜凯说。

尽管面临一些挑战,但量子通信所能带来的未来无疑是极其令人向往的。“设想一下,在未来每个人的隐私都能得到有效保护,千万里无损传信也会易如反掌。”廖胜凯表示,“我始终相信,量子通信将带领人类走向一个更加美好的未来!”

 
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