“墨子”的发现 正在改变世界

原标题:“墨子”的发现 正在改变世界


无法破译是怎么做到的

通信安全是国家信息安全和人类经济社会生活的基本需求。千百年来,人们对于通信安全的追求从未停止。然而,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。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。

“过去的电流流动抗干扰能力强,就像一个调皮捣蛋的小男孩,你说他几句,他也满不在乎。”中国科技大学张永德教授用打比方的方法来介绍量子通信,他说,微观的粒子非常小,很脆弱,像一个害羞的小女孩,你看她一眼,就会变化。就是这样的特性,才能够保密,一旦窃听者接触信息,就会让它的状态发生改变,通讯人发现信息状态变化后便可及时应对。

量子通信就是将量子物理与信息技术相结合,利用量子调控技术,用一种革命性的方式对信息进行编码、存储、传输和操纵,从而在确保信息安全、提高运算速度、提升测量精度等方面突破经典信息技术的瓶颈。

通常认为,量子通信主要研究内容包括量子密钥分发和量子隐形传态。与经典通信不同,量子密钥分发通过量子态的传输,在遥远两地的用户共享无条件安全的密钥,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、不可破译的无条件安全的通信方式。潘建伟介绍,量子密钥分发就好比一个人想要传递秘密给另外一个人,需要把存放秘密的箱子和一把钥匙传给接收方。接收方只有用这把钥匙打开箱子,才能取到秘密。没有这把钥匙,别人无法打开箱子,而且一旦这把钥匙被别人动过,传送者会立刻发现,原有的钥匙作废,再给一把新的钥匙,直到确保接收方本人拿到。

为什么钥匙被别人一碰,就能立刻被知晓呢,这是因为科学家利用量子有多个叠加态的原理,用量子作为密钥。这样一来,一旦有人试图截获或测试量子密钥,就会改变量子状态,科学家便能立刻从改变中发现有人动了钥匙。所以,利用量子不可克隆和不可分割的特性,就能实现无条件安全的通信方式。

量子通信通常采用单光子作为物理载体,最为直接的方式是通过光纤或者近地面自由空间信道传输。但是,这两种信道的损耗都随着距离的增加而指数增加。由于量子不可克隆,使其成为绝对安全的通信方式,但也让量子信号不能像经典通信一样通过复制被放大,再加上地面传输信号的损耗非常大,因此之前地面上的量子通信,最远距离不过百公里量级。

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建立一个比特的密钥。因此,如何实现安全、长距离、可实用化的量子通信是该领域的最大挑战和国际学术界几十年来奋斗的共同目标。

如何能更好地利用量子这把“双刃剑”,实现安全、长距离、可实用化的量子通信,以潘建伟为代表的科学家将目光投向了外太空。

外太空光信号损耗非常小,因此通过卫星的辅助可以大大扩展量子通信距离。

据中国科学院上海技术物理研究所研究员、量子科学实验卫星工程常务副总师、卫星系统总指挥王建宇介绍,利用外太空几乎真空因而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距离。同时由于卫星具有方便覆盖整个地球的独特优势,是在全球尺度上实现超远距离实用化量子密码和量子隐形传态最有希望的途径。

从本世纪初以来,这一方向已成为国际学术界激烈角逐的焦点。潘建伟团队为实现星地量子通信开展了一系列先驱性的实验研究。

早在2003年,潘建伟团队就提出了利用卫星实现星地间量子通信、构建覆盖全球量子保密通信网的方案,随后于2004年在国际上首次实现了水平距离13公里(大于大气层垂直厚度)的自由空间双向量子纠缠分发,验证了穿过大气层进行量子通信的可行性。2011年底,中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。2012年,潘建伟领衔的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个百公里的双向量子纠缠分发和量子隐形传态,充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。2013年,中科院联合研究团队在青海湖实现了模拟星地相对运动和星地链路大损耗的量子密钥分发实验,全方位验证了卫星到地面的量子密钥分发的可行性。随后,团队经过艰苦攻关,克服种种困难,最终成功研制了“墨子号”量子科学实验卫星,为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。

三颗卫星如何覆盖全球

2400年前,墨子就发现了光线沿直线传播,并设计了小孔成像实验,还在《墨经》中提出的“光学八条”。有研究者将墨子称作“科圣”,称他是中国科学家的始祖,墨子在光学上的发现,也被人称为光通信、量子通信的基础发现。中国发射的全球首颗量子卫星取名“墨子号”,也源于此。

截至目前,“墨子号”量子卫星的三大科学目标皆已完成,其中星地高速量子密钥分发实验采用卫星发射量子信号,地面接收的方式,“墨子号”量子卫星过境时,与河北兴隆地面光学站建立光链路,通信距离从645公里到1200公里。实验结果显示,在1200公里通信距离上,星地量子密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高万亿亿倍。

潘建伟表示,这一重要成果为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。以星地量子密钥分发为基础,将卫星作为可信中继,可以实现地球上任意两点的密钥共享,将量子密钥分发范围扩展到覆盖全球。

地星量子隐形传态实验是“墨子号”量子卫星的科学目标之一,是利用量子纠缠特性可以将物质的未知量子态精确传送到遥远地点,而不用传送物质本身,通过隐形传输实现信息传递,远距离量子隐形传态是实现分布式量子信息处理网络的基本单元。

在一般人眼里,“墨子号”量子卫星开展的地星量子隐形传态实验颇有些神秘的感觉,因为它能像变戏法一样将物体从甲地“移动”到乙地。

如果一个人要在很短的时间里从北京到达上海,如果不坐飞机、高铁等交通工具,还能有什么办法呢,潘建伟认为,未来有可能制造出一个像哆啦A梦的“任意门”那样的神奇物质。

“墨子号”卫星进行的量子隐形传态实验,则是采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式,“墨子号”量子卫星过境时,与海拔5100米的西藏阿里地面站建立光链路。地面光源每秒产生8000个量子隐形传态事例,地面向卫星发射纠缠光子,实验通信距离从500公里到1400公里,所有6个待传送态均以大于99.7%的置信度超越经典极限。

如果不采用量子通信的方式,假设在同样长度的光纤中重复这一工作,需要3800亿年——也就是宇宙年龄的20倍,才能观测到一个事例。

《自然》杂志审稿人称:“这些结果代表了远距离量子通信持续探索中的重大突破”, “这个目标非常新颖并极具挑战性,它代表了量子通信方案现实实现中的重大进步”。业内人士评价,这一重要成果为未来开展空间尺度量子通信网络研究,以及空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础。

有人担心虽然量子密码有不可破译性,但随着量子计算机的成功发明,量子密钥有可能会失效。对此潘建伟表示,量子计算机与量子密码之间不是“矛”与“盾”的关系,即便量子计算机获得成功也无法破译量子密码。量子计算机理论上具有超快的并行计算和模拟能力,能解决经典计算机无法解决的大规模计算问题。从密码领域看,所有以计算复杂性为基础的密码都可以被量子计算机破译。但量子通信的不可破译性是基于量子的不可克隆原理,因此只要试图窃取量子密钥,这个密钥就已经发生改变了,因此量子计算机无法破译量子密码。

还有人担心量子通信的可靠性,因为如果量子通信一被干扰就无法传输,那么即便其不可破译也无法达到信息传输的目的。潘建伟解释说,量子通信与传统通信方式的抗干扰能力是一样的。如果一条信道被切断了,传输当然无法实现。但如果我们将来能够建成量子通信网络,这个通路断了用那个,或者多通路同时传输,就不存在这个问题了。

如果未来要想实现量子通信全球组网,需要有多少颗卫星,中国科学院上海技术物理研究所研究员、量子科学实验卫星工程常务副总师、卫星系统总指挥王建宇认为,理论上讲有三颗就能覆盖全球了,但实践中还是要看用户的需求和卫星轨道,如果是地球同步轨道卫星的话,三颗就能覆盖全球。

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责任编辑:桂楷东
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