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潘建伟:人类实现远距离安全量子通信的征途上有两大挑战
2019-09-11
科技日报

  人类真的可以实现安全的信息传送吗?这到底是梦想,还是现实?

  9月10日的北京雁栖湖,虽然天空淅淅沥沥地下着雨,但仍有不少学者和学生赶来参加中国科学院与德国国立科学院(Leopoldina)联合举办的第一届双边研讨会。会上,中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟作了题为“梦想还是现实?量子通信的过去、现在与未来”的报告。

  对信息的安全传输是数千年来人类一直追求的梦想。理论上,所有依赖于计算复杂度的经典加密方法原理上都可以被破解,因此在历史发展中,经典密码学的每一次进步都被破解技术的进步所击败。那么人类能否发明一种密码工具来确保信息传输的安全性?具体而言,该如何在相距遥远的两地实现安全的密钥分配呢?

  1968年,以色列科学家斯蒂芬·威斯纳提出可以用量子系统来完成经典方法所不能够处理的信息处理任务,这启发了人们发明量子通信和量子密码学。1984年,美国IBM公司的查尔斯·贝内特和加拿大蒙特利尔大学的吉列·巴萨德共同提出了第一个也是最为著名的量子密钥分发协议BB84协议。量子密钥分发利用单光子的不可分割性、未知量子态的不可复制性等微观粒子特有的性质,从原理上保证了密钥的不可窃听,从而确保了信息传送的安全。

  潘建伟在报告中指出,在人类实现远距离安全量子通信的征途上有两大挑战,分别是现实条件下的安全性问题和远距离传输问题。

  量子密钥分发因其具有理论上的无条件安全性而备受关注,但是在实际系统中,量子密钥分发系统会由于设备的非完美性而存在安全性漏洞。由于量子密钥分发过程中,线路的安全性是可以严格保障的,因此可能的安全性漏洞就集中在发射端和接收端。诱骗态方案和“测量器件无关”方案分别解决了上述两端的安全性漏洞。这两个方案均率先被潘建伟团队实现。

  潘建伟介绍道,结合“测量器件无关”方案与自主可控的光源,量子密钥分发就可以达到“信息论可证”的安全性。因此,目前现实条件下量子密钥分发的安全性已经很好地建立起来了。

  迄今为止,在地面实验中,量子密钥分发的点对点距离可达到500千米量级,而量子隐形传态可达到100千米。那么,如何在此基础上继续增加量子通信的距离呢?

  一个阶段性的解决方案是可信中继传输,我国建设的光纤总长超过2000千米的“京沪干线”便采用了这一方案。在可信中继方案中,需要人为保障中继站点的安全,而中继之间的线路则是安全的。这比传统通信手段中整条线路处处都面临着信息泄露的风险而言,大幅提高了安全性。

  更为长远的方案是使用量子中继器。量子中继包括量子纠缠纯化、量子纠缠交换和量子存储等手段,可以在遥远地点间分发量子纠缠,从而实现远距离的量子通信。潘建伟团队在量子中继的核心环节取得了一系列重要成果,目前已可支持通过量子中继实现500千米的量子通信。但是量子中继器的实际应用可能还需要等待10年之久。

  目前更为有效的方法是基于卫星的量子通信技术。这种手段不受地球表面障碍物的影响,在外太空也几乎没有衰减。我国于2016年研制成功并发射国际上首颗量子科学实验卫星“墨子号”,在国际上率先实现星地量子通信实验,充分验证了这一技术的可行性。

  报告中,潘建伟展望量子通信的未来,描绘了一幅令人遐想的图景:通过量子卫星与地面光纤网络,并与经典通信网络相融合,未来将可形成覆盖全球的广域量子通信网络,全面提升信息安全水平。而利用广域的量子通信网络,人类可以发展出空间分辨率极高的望远镜技术;也可以构建高精度的光频率传递网络,精度相比现在的微波时频网络可以提高4个数量级。而“墨子号”量子卫星发展的空间量子科学实验技术,也为物理学基本原理研究提供了全新的平台。例如,最近潘建伟团队利用“墨子号”量子卫星对Event Formalism量子引力模型进行了检验,首次对量子力学和引力的融合进行了实验探索。利用高轨空间极低的引力和磁场噪声,未来还有望实现精度高达10-21的光钟,将会促进对引力波信号,特别是低频信号的探测,可以揭示更为丰富的天文现象。

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