四問量子通信：迄今唯一被嚴(yán)格證明無條件安全的通信方式

　　吳月輝/人民日報

　　打個電話，會不會被竊聽？通過網(wǎng)絡(luò)傳送一份保密文件，途中被他人竊取咋辦……現(xiàn)代社會，信息安全面臨的問題越來越多。

　　有沒有一種不可破譯的保密方式，能讓傳送的信息絕對安全可靠？近些年來，量子通信技術(shù)的飛躍發(fā)展正讓夢想成為現(xiàn)實。

制圖：張芳曼

　　一問：什么是量子？

　　量子是光子、質(zhì)子、中子、電子、介子等基本粒子的統(tǒng)稱，是能量的最基本攜帶者

　　量子是物理世界里最小的、不可分割的基本單元，是能量的最基本攜帶者。它是光子、質(zhì)子、中子、電子、介子等基本粒子的統(tǒng)稱。可以說，整個世界都是由量子組成的。比如，日常生活中的光，就由大量光量子組成。

　　量子有不同于宏觀物理世界的奇妙現(xiàn)象，其中最為著名的就是量子疊加和量子糾纏。

　　“量子世界跟宏觀世界最大的區(qū)別，就是量子有多個可能狀態(tài)的疊加態(tài)�！敝锌圃毫孔有畔⑴c量子科技創(chuàng)新研究院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院副研究員張文卓說，“這種現(xiàn)象在宏觀世界里是存在不了也無法維持的。在宏觀的經(jīng)典世界里，1就是1，2就是2。而在微觀的量子世界中，一個狀態(tài)可以存在于1和2之間，它既不是1，也不是2，但它既是1，又是2。”

　　“打個比方吧，這就好比孫悟空的分身術(shù)。一個孫悟空可以同時出現(xiàn)在多個地方，孫悟空的各個分身就像是他的疊加態(tài)。”中科院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉解釋道，“在日常生活中，一個人不可能同時出現(xiàn)在兩個地方。但在量子世界里，作為一個微觀的客體，它能夠同時出現(xiàn)在許多地方�！�

　　而所謂量子糾纏，也是量子疊加的一種表現(xiàn)，是指兩個處在糾纏態(tài)的量子一旦分開，不論分開多遠，如果對其中的一個粒子測量，另一個粒子就會立即發(fā)生變化，且是不需要時間的變化。

　　“這兩個糾纏在一起的量子就好比是一對有心電感應(yīng)的雙胞胎，不管兩人距離多遠，千公里量級或者更遠，只要當(dāng)其中一個人的狀態(tài)發(fā)生變化時，另一個人的狀態(tài)也會跟著發(fā)生一樣的變化。愛因斯坦稱之為‘幽靈般的超距作用’�！迸私▊フf，“量子糾纏所體現(xiàn)的這種非定域性是量子力學(xué)最神奇的現(xiàn)象之一�！�

　　二問：什么是量子通信？

　　量子通信是利用量子力學(xué)原理對量子態(tài)進行操控的一種通信形式，可以有效解決信息安全問題

　　近年來，隨著量子的各種奇妙特性被科學(xué)家不斷認(rèn)識，實用的新技術(shù)也被逐漸開發(fā)出來，量子通信就是其中之一。

　　量子通信是量子信息學(xué)的一個重要分支，它利用量子力學(xué)原理對量子態(tài)進行操控，在兩個地點之間進行信息交互，可以完成經(jīng)典通信所不能完成的任務(wù)。量子通信是迄今唯一被嚴(yán)格證明無條件安全的通信方式，可以有效解決信息安全問題。

　　張文卓說：“通常來講，量子通信分為兩種，一種是量子密鑰分發(fā)；另外一種是量子隱形傳態(tài)。前者是利用量子的不可復(fù)制性以及測量的隨機性來生成量子密碼，給傳統(tǒng)的數(shù)字通信加密；而后者則是利用量子糾纏直接傳送量子比特。量子隱形傳態(tài)是為了給未來的量子計算機之間的通信使用。”

　　那么，量子密鑰分發(fā)是如何生成量子密碼來給傳統(tǒng)的通信加密的？

　　“假如，信息發(fā)送者甲想和信息接收者乙共享量子密碼。首先，發(fā)送者甲需要把一個個獨立的單光子發(fā)送給乙，一邊發(fā)一邊隨機地選擇單光子的狀態(tài)，并把自己的隨機選擇方式記錄下來。同時乙也需要把收到的光子隨機地測量一遍，然后把每個測量方式通過經(jīng)典通信方式告訴甲。”張文卓說，“接下來，甲把乙的測量方式和自己的隨機選擇方式做對比，保留測量方式相同的光子，去掉不同的。留下的這些光子的測量結(jié)果，就構(gòu)成了量子密碼。然后，乙就可以依據(jù)這些密碼打開保密信息�！�

　　量子隱形傳態(tài)又是如何利用量子糾纏直接傳送量子信息的？

　　同樣是信息發(fā)送者甲和接收者乙。這次不是共享密碼了，而是要發(fā)送包含量子信息的光子a。

　　張文卓說：“首先得制備出一對處在量子糾纏態(tài)的光子b和c，把b交到發(fā)送者甲手里，把c給接收者乙‘拿著’。然后，甲通過自己手中的光子b和這個想要發(fā)送的光子a一起做測量，并把測量方法告訴乙。乙再通過這種方法測量手中的c，這時的c已經(jīng)擁有了與a同樣的量子信息態(tài)�！�

　　張文卓進一步解釋：“也就是說，我們并不需要真的傳遞光子a本身，而是把它的量子態(tài)精確傳送過去。量子隱形傳態(tài)利用量子糾纏，接收者乙在擁有糾纏態(tài)的光子和發(fā)送者甲的測量方法后，可以制造出原物的完美復(fù)制品。”

　　三問：為何保密性高？

　　量子具有測量的隨機性和不可復(fù)制的特性，幾乎不可能被破譯

　　以往用微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的計算機技術(shù)傳遞信息極易遭遇竊聽。

　　“因為傳統(tǒng)通信的密鑰都基于非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法，只要是通過算法加密的，人們就可以通過計算進行破解。而量子通信則可以做到很安全，不被破譯和竊聽，這在數(shù)學(xué)上已經(jīng)獲得了嚴(yán)格的證明�！睆埼淖空f。

　　這種“很安全”是如何實現(xiàn)的？這就要說到在講量子密鑰分發(fā)時提到的量子的另外兩個特性——測量的隨機性和不可復(fù)制。

　　什么是量子測量的隨機性？

　　張文卓說：“在量子力學(xué)里，光子可以朝著某個方向進行振動，叫做偏振。因為量子疊加，一個光子可以同時處在水平偏振和垂直偏振兩個量子狀態(tài)的疊加態(tài)。這時，如果你拿一個儀器在這兩個方向上進行測量，就會發(fā)現(xiàn)，每次測量都只會得到其中一個結(jié)果：要么是水平的，要么是垂直的。測量的結(jié)果完全隨機�！�

　　而在日常的宏觀世界里，一個物體的速度和位置，一般是可以同時準(zhǔn)確測定的。比如飛機來了，雷達就可以把飛機的速度、位置都準(zhǔn)確測定。

　　“但在量子世界，測量會破壞或改變量子的狀態(tài)。如果我們把一個量子的位置測準(zhǔn)了，它的速度就測不準(zhǔn)了�！睆埼淖空f。

　　既然測量量子的狀態(tài)會出現(xiàn)隨機的結(jié)果，那么人們自然也無法對一個不知道其狀態(tài)的量子進行復(fù)制，這就是量子不可復(fù)制的特性。

　　利用這兩個特性，量子通信也就保證了安全。“在量子密碼共享或量子態(tài)傳遞過程中，如果有人竊聽，它的狀態(tài)就會因竊聽（測量）發(fā)生改變，密碼接收的誤碼率會明顯增加，從而引起發(fā)送者和接收者的警覺，而停止該信道的發(fā)送。如果竊聽者一直在這個信道存在，可以換一個沒有發(fā)現(xiàn)竊聽者的信道重新發(fā)送�！睆埼淖空f，“因為能及時發(fā)現(xiàn)竊聽者，加上量子的不可復(fù)制也使得竊聽者無法采取信息復(fù)制的方法來獲得合法用戶的信息，所以，量子通信具有很強的保密性�！�

　　四問：能否取代傳統(tǒng)通信？

　　這是兩種不同的通信形式，量子通信是為了讓傳統(tǒng)的數(shù)字通信變得更安全

　　量子通信既然這么厲害，那未來會不會取代傳統(tǒng)通信？

　　張文卓說：“實際上，量子通信的目標(biāo)并不是要把傳統(tǒng)的數(shù)字通信給取代掉。比如量子密鑰分發(fā)，它本身是為了讓傳統(tǒng)的數(shù)字通信變得更安全，并不能獨立存在。而量子隱形傳態(tài)則完全取決于量子計算機的發(fā)展。只有未來所有的經(jīng)典計算機都被量子計算機取代了，才完全會用這種通信方式。但問題是，量子計算機和傳統(tǒng)計算機就好比核武器和常規(guī)武器，是不可能完全取代彼此的。未來應(yīng)該是量子通信和傳統(tǒng)通信一起構(gòu)建天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)�！�

　　量子通信事關(guān)國家信息和國防安全，這個戰(zhàn)略性領(lǐng)域已經(jīng)成為發(fā)達國家優(yōu)先發(fā)展的信息科技和產(chǎn)業(yè)高地。

　　美國對量子通信的理論和實驗研究開始較早，并最先將其列入國家戰(zhàn)略。歐盟則著眼于合力構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)，2015年發(fā)布《量子宣言》，計劃啟動10億歐元用于推動量子通信和量子技術(shù)的發(fā)展。日本也制定了量子信息技術(shù)長期發(fā)展路線圖。

　　雖然在全球量子通信競賽中，中國起步并非最早，但是在科學(xué)家們的不懈努力下，目前中國在量子通信領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)了“彎道超車”。

　　潘建偉團隊在2007年首次實現(xiàn)安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)，2016年又將最安全距離提高到400公里；2016年中國發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星；2017年世界首條量子保密通信干線——“京滬干線”正式開通……潘建偉表示，希望到2030年左右，能建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)，并在量子計算領(lǐng)域有所作為。

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