英媒:中国将发射量子通信卫星开辟通信世界新纪元

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<article><section data-type="rtext"><img src="//himg2.huanqiucdn.cn/attachment2010/2016/0809/20160809024210393.jpg?imageView2/2/w/1260" data-alt="量子通信卫星服务地球通信示意图"/>中国网新闻8月8日讯 据英国《每日邮报》网站8月3日报道，中国即将发射世界首颗“量子卫星”。这将是我国首颗、也是全球首颗的量子通信卫星，重达1300磅（约合590千克），含有一块能够产生纠缠光子对的晶体，这些光子对将被发射到中国和奥地利的地面卫星接收站中，从而形成一个“密钥”。量子通信技术基于量子物理学的基本原理，克服了经典加密技术内在的安全隐患，是迄今为止唯一被严格证明是“无条件安全”的通信方式。在不久的将来，量子通信与经典通信的融合发展将会带来通信世界的新纪元。加密通信2000多年即已出现，量子技术确立新标杆公元前405年，古希腊两大城邦雅典和斯巴达之间的伯罗奔尼撒战争已近尾声，雅典情报人员从波斯帝国带回一条布满杂乱无章的希腊字母的腰带，当这条“普通”的腰带呈螺旋形状缠绕在剑鞘上时，毫无规律可循的字母却变成了一串串文字。2400多年后的今天，随着量子通信的发展与进步，保密措施变得越来越复杂、越来越可靠。首先必须指出是，“量子”并不是一种粒子，在物理学中提到“量子”时，我们实际上指的是微观世界的一种行为倾向：物质或者说粒子的能量和其他一些性质（统称为可观测物理量）都倾向于不连续地变化。
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 上世纪初，物理学家普朗克最早猜测到微观粒子的能量可能是不连续的。但要坚持这个观点，就意味着背叛经典物理学。保守的普朗克最终放弃了这个观点，对于他个人这是一件极为遗憾的事。然而，大量的实验事实迫使物理学界迅速地接受这样的观点，将其发展起来，并结合其他一些公设如“量子态叠加原理”、“概率性测量原理”等，建立了如今的量子物理科学。如今，我们说一个“光量子”，是因为一个光量子的能量是光能量变化的最小单位，光的能量是以光量子的能量为单位一份一份地变化的。其他的粒子情况也是类似的，例如，在没有被电离的原子中，绕核运动的电子的能量是“量子化”的，也就是说电子的能量只能取特定的离散的值。只有这样，原子才能稳定存在，我们才能解释原子辐射的光谱。不仅能量，对于原子中的电子，角动量也不再是连续变化的。量子物理学告诉我们，电子绕原子核运动时只能处在一些特定的运动模式上，在这些模式上，电子的角动量分别具有特定的数值，介于这些模式之间的运动方式是极不稳定的。即使电子暂时以其他的方式绕核运动，很快就必须回到特定运动模式上来。实际上在量子物理学中，所有的物理量的值，都可能必须不连续地、离散地变化。这样的观点和经典物理学的观点是截然不同的，在经典物理学里所有的物理量都是连续变化的。在量子的世界中，对于一个微观的粒子，测量过程本身将不可避免的给我们要测量的物体造成一个显著的扰动，而且即使在原则上，我们也完全没办法把这一扰动减小到零；另一方面，观测行为本身又会破坏粒子原来的状态，让你永远不可能知道粒子本来的状态是什么。这就是量子不可克隆原理：你不能够复制一个未知的量子态，而不改变量子态本身。量子“不可克隆原理”是量子加密的基础。如果我们把想要保密传输的信息，加载到一个个不可能被准确观测和复制的量子态上，而任何的窃听行为都会改变原本传输的数据。那么最后我们取一部分数据出来，检查原本传输的信息是否被破坏，就能够检测到窃听者是否存在。量子保密通信虽经严格证明，但并非无懈可击量子通信技术基于量子物理学的基本原理，克服了经典加密技术内在的安全隐患，是迄今为止唯一被严格证明是“无条件安全”的通信方式。量子通信中具有短期内真实的应用潜能的就是量子保密通信，其中最有用的部分就是量子密钥分发。经典通信使用最广泛的公钥密码，是假定一些数学难题，最典型的是假定大型数据分解的数学难题。但是，随着计算能力的不断提高，特别是未来量子计算机如果实现的话，这种数学难题的复杂性就迎刃而解了，换而言之，经典保密通信基于的数学方法不能获得严格的数学证明。在此背景下，量子保密通信最大的卖点就是其安全性获得了严格的数学证明，这也可以从其基本的量子力学的基本原理来解释。量子物理让人最不可思议的地方在于，事物的状态并不是唯一确定的。对于宏观的硬币而言，只可能存在两种状态：正面朝上或是反面朝上。但对于一枚量子硬币，它可以既是正面朝上又是反面朝上。对于两枚纠缠在一起的量子硬币，如果发现其中一枚是正面朝上，另一枚也一定是正面朝上；当发现一枚是反面朝上，另一枚也一定是反面朝上；如果发现一枚既是正面朝上又是反面朝上，另外一枚也一定既是正面朝上又是反面朝上。因此，纠缠所包含的关联性，要比我们通常理解的宏观上的关联性强得多。量子通信另一个核心内容是隐形传输，是利用了光子等基本粒子的量子纠缠原理来实现保密通信过程。纠缠是一种诡异的超距离相互关联的现象：两个纠缠在一起的粒子，即使被完全隔离，当观测一个粒子的状态时，另一个粒子的状态也会发生瞬时的改变。换言之，两个粒子的量子状态是完全关联的。事实上，纠缠的两个粒子尽管可以在很远的距离上一个影响另一个，但它们无法传递任何信息。以密钥为例，当双方共享同一套密钥时，并没有发生信息的传递，直到加密的文本传来，密钥才有意义。量子通信和传统通信的唯一区别在于，量子通信采用了一种新的密钥生成方式，而且密钥不可能被第三方获取。然而，“量子克隆技术”的出现也使得我们开始重新审视量子通信的安全性问题。量子通信是相对最安全的，但任何事情都不是绝对的，有矛就有盾。一方面有“量子非克隆原理”，另一方面有实现近似量子克隆的“量子克隆机”。因而，发展量子通信技术的终极目标是构建广域乃至全球范围的绝对安全的量子通信网络体系。通过光纤实现城域量子通信网络连接一个中等城市内部的通信节点、通过量子中继实现邻近两个城市之间的连接、通过卫星与地面站之间的自由空间光子传输和卫星平台的中转实现遥远两个区域之间的连接，是实现全球广域量子通信最理想的路线图。在量子通信的全球竞技场上，中国走在前列近年来，欧洲、美国和日本等国均进行了量子通信技术的战略性部署，投入了大量的科研资源和开发力量，进行关键技术攻关和实用化、工程化探索，力争在激烈的国际竞争中占据先机。由美国国防部高级研究署（DARPA）支持， BBN公司（具有很强的军方特色）技术部联合波斯顿大学与哈佛大学共同开展了量子保密通信与IP 互联网结合的五年试验计划。该计划主要内容是以BBN技术部、波斯顿大学和哈佛大学作为三个节点以构建融合现行光纤通信网、互联网和量子光通信的量子互联网，并在此基础上实现保密通信。2013年，在欧盟发布的《量子信息处理和通信：欧洲研究现状、愿景与目标战略报告》中给出了欧洲未来五年和十年量子信息的发展目标，例如将重点发展量子中继和卫星量子通信，实现1000公里量级的量子密钥分配。日本提出了量子信息技术长期研究战略，计划通过高强度的研发投入，在5至10年内建成全国性的高速量子通信网。日本邮政省将把量子信息确定为21世纪国家的战略项目。另外，一些世界著名的公司也对量子信息技术投入了大量研发资本，介入了产业化开发，例如：美国电话电报公司（AT&T）、Bell实验室、IBM、Hewlett-Packard，荷兰Philips，日本Hitachi、NEC、NTT、Toshiba，英国电话电报公司，德国西门子公司等。2010年10月，日本在东京展示一个由NEC、Toshiba、三菱电子等公司支持建设的量子通信网络。由此可见，大型国际企业已经实际地介入了量子通信技术的研发和产业化。而我国在这方面处于国际领先水平，已经实现了超过两百公里（世界纪录）的安全信息传输，实用化安全传输距离已达到几十公里，量子通信网络技术已发展成熟。2012年，中国科学技术大学牵头，联合南京大学、国防科技大学、中国科学院上海技术物理研究所、中国科学院半导体研究所等单位共同成立了“量子信息与量子科技前沿协同创新中心”，开展全面深入的量子科学前沿和量子信息技术前沿研究。2014年1月，中国科学院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心成立，这是中国科学院首批启动实施的5个卓越创新中心中第一个揭牌的中心。中心主任由潘建伟院士担任，以中国科学院在量子信息与量子科技前沿领域已取得的领先优势为基础，着力于突破推动量子科技革命的前沿科学问题和战略性高技术问题。早在2005年，潘建伟研究组在国际上首次在相距13公里的两个地面目标之间实现了自由空间中的纠缠分发和量子通信实验，明确表明光量子信号可以穿透等效厚度约10公里的大气层实现地面站和卫星之间自由空间保密量子通信。2007年，该小组在长城实现了16公里水平高损耗大气信道的量子隐形传态，这是国际第一个远距离自由空间隐形传态实验，实现了四个Bell态的完全测量和主动幺正变换。这一实验和基于卫星平台的量子通信实验研究一起，为真正实现地面与卫星间的量子通信实验积累相关技术经验。2013年，以该小组为主导的团队，在国际上首次成功实现星地量子密钥分发的全方位地面验证，为我国发射量子科学实验卫星，实现全球化量子网络，奠定坚实的技术基础。（谢武）</section></article>

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