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潘建偉:人類實現遠距離安全量子通信的征途上有兩大挑戰
2019-09-11
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  人類真的可以實現安全的信息傳送嗎?這到底是夢想,還是現實?

  9月10日的北京雁棲湖,雖然天空淅淅瀝瀝地下著雨,但仍有不少學者和學生趕來參加中國科學院與德國國立科學院(Leopoldina)聯合舉辦的第一屆雙邊研討會。會上,中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉作了題爲“夢想還是現實?量子通信的過去、現在與未來”的報告。

  對信息的安全傳輸是數千年來人類一直追求的夢想。理論上,所有依賴于計算複雜度的經典加密方法原理上都可以被破解,因此在曆史發展中,經典密碼學的每一次進步都被破解技術的進步所擊敗。那麽人類能否發明一種密碼工具來確保信息傳輸的安全性?具體而言,該如何在相距遙遠的兩地實現安全的密鑰分配呢?

  1968年,以色列科學家斯蒂芬·威斯納提出可以用量子系統來完成經典方法所不能夠處理的信息處理任務,這啓發了人們發明量子通信和量子密碼學。1984年,美國IBM公司的查爾斯·貝內特和加拿大蒙特利爾大學的吉列·巴薩德共同提出了第一個也是最爲著名的量子密鑰分發協議BB84協議。量子密鑰分發利用單光子的不可分割性、未知量子態的不可複制性等微觀粒子特有的性質,從原理上保證了密鑰的不可竊聽,從而確保了信息傳送的安全。

  潘建偉在報告中指出,在人類實現遠距離安全量子通信的征途上有兩大挑戰,分別是現實條件下的安全性問題和遠距離傳輸問題。

  量子密鑰分發因其具有理論上的無條件安全性而備受關注,但是在實際系統中,量子密鑰分發系統會由于設備的非完美性而存在安全性漏洞。由于量子密鑰分發過程中,線路的安全性是可以嚴格保障的,因此可能的安全性漏洞就集中在發射端和接收端。誘騙態方案和“測量器件無關”方案分別解決了上述兩端的安全性漏洞。這兩個方案均率先被潘建偉團隊實現。

  潘建偉介紹道,結合“測量器件無關”方案與自主可控的光源,量子密鑰分發就可以達到“信息論可證”的安全性。因此,目前現實條件下量子密鑰分發的安全性已經很好地建立起來了。

  迄今爲止,在地面實驗中,量子密鑰分發的點對點距離可達到500千米量級,而量子隱形傳態可達到100千米。那麽,如何在此基礎上繼續增加量子通信的距離呢?

  一個階段性的解決方案是可信中繼傳輸,我國建設的光纖總長超過2000千米的“京滬幹線”便采用了這一方案。在可信中繼方案中,需要人爲保障中繼站點的安全,而中繼之間的線路則是安全的。這比傳統通信手段中整條線路處處都面臨著信息泄露的風險而言,大幅提高了安全性。

  更爲長遠的方案是使用量子中繼器。量子中繼包括量子糾纏純化、量子糾纏交換和量子存儲等手段,可以在遙遠地點間分發量子糾纏,從而實現遠距離的量子通信。潘建偉團隊在量子中繼的核心環節取得了一系列重要成果,目前已可支持通過量子中繼實現500千米的量子通信。但是量子中繼器的實際應用可能還需要等待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年研制成功并发射國際上首颗量子科学实验卫星“墨子号”,在國際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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