量子力学让“分身术”和“筋斗云”成为可能

我国成功发射世界首颗量子卫星墨子号

中国小康网讯 记者麦婉华 综合报道 2016年8月,中国成功发射了世界上首枚量子通信卫星“墨子号”;2016年12月,远距离光纤量子通信骨干网络“京沪干线”完成建设,并有望今年下半年开通使用。

如此一来,中国将实现量子通信网络“上天下地”的构建,真正奠定中国在量子通信领域的“大哥”地位。

量子科学让“筋斗云”成为可能

尽管人们都为量子通讯技术在中国的发展而自豪,但却甚少有人知道量子通信“冷知识”。量子是构成物质的最基本单元,能量的最基本携带者,不可分割。好比上台阶,只能上一级台阶,而不能上半级。宏观世界里的物理量似乎都能连续变化,但在微观世界,许多物理量是量子化的,即存在一个最小的单位,不能再往下细分。

量子力学描述世界的语言与经典力学有根本区别。经典力学描述一个物体的状态,会给出它的明确位置;量子力学描述一个微观粒子的状态,给出的则是叠加态——这个粒子在某些情况下既可能在这里,也可能在那里,没有确定位置。

中国科学技术大学教授、量子卫星项目首席科学家潘建伟说,这好比孙悟空的“分身术”,一个孙悟空同时出现在多个地方,孙悟空的各个分身就像是他的叠加态。在通信领域,经典通信的信号只有0和1,量子通信不但有信号0和1,还有0+1、0-1等量子叠加态。

“而利用量子的纠缠态,可以把客体的信息,用量子隐形传态的方式从一个地方传到另一个遥远的地方。”潘建伟比喻,将一个人在北京的所有信息传输到上海,然后用同样多的物质在那里重塑一个“我”,这是一种光速的旅行方式。因此量子力学不仅允许“分身术”,也允许“筋斗云”的存在。

信息安全获得最大保障

从摩斯电码到电报、传真,从移动电话到网络通信,通信技术的发展在为人类提供便利的同时也带来了通信安全的隐患。但是量子通信技术的出现,能够完美地解决信息传输过程中的安全问题,真正做到“绝对”安全。

量子通信作为绝对安全的信息传送方式,主要体现在光量子的不可分割性上。由于光量子的不可分割性,所以在单光子发射的情况下,窃听者无法采用将光子分成两半,一半用于获得密钥,一半传输给接收方的方式避免被发现。

同时,光量子还具有无法克隆性,因为光子是无法准确测量的,所以更无法被窃听者复制,即无法通过准确测量光子,克隆出一个一模一样的光子从而获取信息。即使有人窃听信息,窃听动作造成的扰动会使加密信息变成乱码,从而无法还原信息;而与此同时,窃听者的这一扰动能够让通信双方立即发现窃听行为,从而加以规避。

另外,随着计算机运算性能的不断提高,以及量子计算机的研制与发展,经典传统的公钥算法(RSA)受到冲击。相较于只能依靠密码长度和复杂性保证安全性的RSA算法而言,量子通信可以真正做到“一次一密”,从而真正实现密码无法被破译。这也是量子通信技术能够实现“绝对安全”的重要理由。

虽然量子加密技术完美的实现了数据的加密传输,但仍存在问题:首先,量子加密采用的点到点传输不支持多用户业务承载;其次,加密仅解决了通信传输安全但网络仍会面临病毒入侵、木马植入、黑客攻击等安全风险。如何解决上述安全问题,也是量子通信系统安全设计中必须要考虑的问题。

墨子号与京沪干线

在量子通信领域,我国已经走在世界前列。其中最有代表性的就是量子通讯卫星“墨子号”和量子通信加密光纤链路“京沪干线”。

“墨子号”已升空超10个月,近日发布了首个世界级重磅成果:在国际上“墨子号”率先实现1200公里级的量子纠缠分发,首次在太空中较为严格地检验了量子力学的完备性。

中国“墨子号”研究团队成员彭承志说,团队每晚仅有8分钟的时间,在相距超过1200公里的两个地面站,同时接收以每秒8公里的速度飞驰的卫星“落子”——卫星上的纠缠源载荷每秒产生800万个纠缠光子对。经过精巧设计,他们才能实现千公里级的量子纠缠分发。

潘建伟则表示,经过在轨测试后,“墨子号”目前已交付用户开展科学实验任务。奥地利、德国、意大利和加拿大多家欧美科研机构已经申请在墨子号上开展国际合作研究。

2016年4月26日,习近平总书记到中国科学技术大学视察,在量子通信京沪干线运管中心,潘建伟作了关于京沪干线建设进展和量子科学卫星研制进展情况的汇报。他介绍,“京沪干线”总长2000余公里,从北京出发,途经济南、合肥,到达上海,共设有32个量子通信节点,是广域光纤量子通信网络。

“目前,我们正在进行安全性和稳定性的测试。”潘建伟表示,未来这条“干线”可为沿线城市间的金融机构、政府及国家安全部门提供高速、高安全等级的信息传输保障。

本文刊登于《小康》2017年08月旬刊

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责任编辑:桂楷东
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