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本報記者 徐瑞哲
“棱鏡門”一出，從國家元首到平民百姓人人自危，深感信息安全像窗戶紙一樣，似乎再保密的通話都會被情報人員監(jiān)聽。的確，基于電子方式的通信，基于數學方法的密碼，已經無法保證不被破解。
從電子通信到量子通信，一場通信技術革命正在競爭中觸發(fā)。我國量子通信衛(wèi)星目前正在上海等地進行緊張的工程研制，有望在兩年之內上天，在衛(wèi)星與地面之間收發(fā)不可截獲的“密電”。
從理論上講，神奇的量子通信是超高效率和絕對安全的。
無法克隆的量子糾纏
先科普一下。簡單地說，量子是微觀物理世界中的基本單位，一個最最小的單元。比如量子力學，就是用來描述各種微觀粒子之間的力學關系和運動規(guī)律的。它完全不同于中學物理教科書上的經典牛頓力學。
早在1927年，德國科學家海森伯就提出了量子不可測的原理。在現(xiàn)代科學認知中，幾乎任何已知事物都是可測的，但至少量子是個例外。
像造幣一樣，制作硬幣的基本前提是測定模板、再行復制。想象一下，在量子世界中，有一枚不停旋轉的“量子骰子”，6個面交替出現(xiàn)。要復制它，必然先要測量它的尺寸，而這種測量行為就會改變它的運動狀態(tài)。換句話說，量子一旦被測量，還來不及被復制，它就不是原來那個量子了。
在通信中，對方的話通過電話等有線無線終端，遠距離傳送到你的耳朵里。如果他人要竊聽你們的對話，必須完成這個對話的復制過程。而如果這段通話被加密，也必須先復制到密碼，再解密為正常通話。
那么，一旦通信中的信息和密碼用量子來承載，就是不可克隆的。
其實，量子通信擁有一道“雙保險”，除了不可復制，還有量子糾纏現(xiàn)象。即兩個共同來源的微觀粒子，不論它們分開多遠，一旦其中一個粒子發(fā)生變化，就立即影響到另一個粒子，似乎它們像一對孿生兒，彼此存在“心靈感應”。
為了這種 “幽靈般的超距作用”，兩位科學大師愛因斯坦和玻爾發(fā)生了 “關于物理學靈魂的論戰(zhàn)”。后來，物理學家貝爾等人用實驗證明，量子糾纏確實存在，而且某些量子效應可能以超光速行進。
這種不可克隆的量子糾纏，正好是量子通信所需要的。中科院空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項項目——量子衛(wèi)星工程常務副總師兼衛(wèi)星總指揮、中科院上海技術物理所王建宇研究員介紹，作為全新通信概念的量子衛(wèi)星通信，是以構成光線的光子為單元，通過收發(fā)一連串的光子，進行星地之間的量子密鑰分發(fā)。比如，100個光子形成一串密碼，由A發(fā)給B，A發(fā)出一個，B就收一個，兩者間建立唯一的對應關系，第三者無法從中截獲。
量子通信地面試驗告成
要想與“棱鏡門”這樣的事件說再見，除了外交努力之外，最有效的“硬功夫”就是改變整套通信體制，盡快啟用密級最高的量子通信，率先確保國家利益不受損，進而進入廣闊的商用、民用領域。
自1993年 IBM 公司提出量子通信理論以來，各主要發(fā)達國家都將量子通信研發(fā)和應用列為優(yōu)先級戰(zhàn)略。我國在量子通信領域并不后發(fā)，與世界同步，甚至具有一定領先優(yōu)勢。
據《科學》雜志報道，最近5年間，我國借助3節(jié)點鏈狀光量子電話網，建成了世界上首個全通型量子通信網絡，首次實現(xiàn)了實時語音量子保密通信。這一成果在同類產品中處于國際先進水平，標志著中國在城域量子網絡關鍵技術方面達到了產業(yè)化要求。
大眾熟知的光纖就是光通信，也可發(fā)展為量子通信。盡管基于光纖的量子通信研究成果已越來越接近實用，甚至可以預見未來幾年光纖量子通訊系統(tǒng)就可投入實際的保密通信中，但由于地球表面的曲率影響和光纖傳輸損耗的增加，在地面實施遠距離量子通信非常困難。光纖中的光子衰減，使得處于量子糾纏態(tài)的兩點之間距離，最多只有100公里左右。
因此，超遠距離乃至星地量子通信的基礎檢驗，成為國際上量子研究焦點之一。為此，在中國科技大學潘建偉院士和王建宇研究員的主持下，中國科技大學、中科院上海技物所、中科院光電所、上海微小衛(wèi)星工程中心和中科院上海光機所等組成了聯(lián)合團隊，仿真計算出星地量子通信鏈路，并根據仿真結果設計了一系列地面工程驗證試驗，研制了用于星地量子通信的樣機。
其中的量子密鑰分發(fā)實驗，在不同載體上進行——如收發(fā)距離40公里的轉臺實驗，與衛(wèi)星繞地運行的角速度保持一致；又如30公里距離的車載高速運動實驗，考驗超遠距離“移動瞄靶”能力；再如熱氣球浮空平臺，在空地環(huán)境下模擬了量子密鑰分發(fā)。另外，科研人員還在青海湖實現(xiàn)了97公里超遠距離自由空間量子密鑰分發(fā)實驗。這一系列實驗，驗證了星地量子通信的可行性，相關論文去年在《自然·光子學》雜志上發(fā)表。
主導量子衛(wèi)星后年升空
有了量子衛(wèi)星，全球任意點對點的量子通信就可如接力跑般完成，而且是以光速計的。
目前，多國均在開展量子通信衛(wèi)星平臺研發(fā)，中科院也已開始實施量子科學衛(wèi)星計劃。據悉，現(xiàn)計劃在2016年左右，以我國為主導發(fā)射一顆量子實驗衛(wèi)星。這也是中科院相關戰(zhàn)略性先導科技專項中首批確定的5顆科學實驗衛(wèi)星之一。
事實上，2008年起，王建宇就與量子衛(wèi)星工程首席科學家潘建偉院士合作，從事自由空間量子激光通信研究。經過星地量子通信聯(lián)合團隊多年攻關，中科院知識創(chuàng)新工程重大項目 “空間尺度量子實驗關鍵技術”通過驗收，為日后星地量子通信的實現(xiàn)奠定了基礎，為未來全球量子通信網絡打下了基礎，也標志著我國在這一研究領域保持了國際領先地位。
據王建宇研究員介紹，我國量子科學實驗衛(wèi)星將裝載我國自主研發(fā)的星地量子通信設備。比如，這種星載量子通信機能產生光子，同時“發(fā)光子”，與之對接的地面系統(tǒng)則負責“接光子”，這種“發(fā)球、接球”需要超高精度地瞄準、捕獲和跟蹤，仿佛在空間尺度下、在穿越大氣層后“針尖對麥芒”。
這顆中國量子衛(wèi)星將建立我國幅員之間乃至國際上其他站點之間的量子通信網絡，它也可能是全球首顆量子通信衛(wèi)星。國際權威學刊《自然》周刊對中國人取得的進展作出評論：“中國在量子通信領域內，已從十年前不起眼的國家，發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，并將領先于歐洲和北美。 ”
“天知地知你知我知”。這意味著，中國將有能力最先與任何“棱鏡門”告別，讓偵聽者無從測得量子通信中的全部信息并復制下來，而且一旦實施偵聽，就無法掩蓋這一行為。
