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2021-02-01 07:53
中国量子通信全球领先,欧美多久才能追上?

本文来自微信公众号:风云之声(ID:fyvoice),作者:袁岚峰,编辑:陈昕悦,原文标题:《跨越4600公里,中国量子通信全球领先,欧美多久才能追上? | 袁岚峰》,题图来自:视觉中国


最近许多媒体报道,2021年1月7日凌晨,中国科学技术大学宣布建成“跨越4600公里的天地一体化量子通信网络”。


中科大凌晨宣布:我国构建全球首个星地量子通信网https://c.m.163.com/news/a/FVNP5ELC04079BLH.html


大多数人看到这新闻,第一反应可能是:为什么要凌晨宣布?什么事这么紧急?第二反应可能是:这么长一串高大上的词连在一起,究竟是什么意思?


实际上,这完全不是个紧急事件。所谓凌晨宣布,只是因为论文1月7日凌晨在国际顶级期刊《自然》上发布而已。


科大主页的报道:中国科大成功验证构建天地一体化量子通信网络的可行性(http://news.ustc.edu.cn/info/1055/73813.htm)


《自然》是英国的期刊,跟中国有时差,所以会凌晨上线。


《Nature》论文《跨越4600公里的天地一体化量子通信网络》(https://www.nature.com/articles/s41586-020-03093-8)


真正有意思的,是这篇论文。我解读过不少科学论文,绝大多数都是最新的研究成果,需要抢时间发布。但这篇并不是,它是一个过去几年工作的总结。一个不需要抢时间的成果,被媒体宣传得好像十万火急似的,真是非常具有娱乐性。


言归正传。在科学和工程上,这项成果十分重要,它相当于一锤定音:广域量子保密通信技术在实际应用中的条件已初步成熟,为未来覆盖全球的量子保密通信网络奠定了科学与技术基础。在这个领域,中国遥遥领先其他国家。


大多数人可能不了解什么是量子保密通信,我来简略地介绍一下。


从古至今,人们提出了许多密码体系。但没有一个在原理上能保证安全的,直到量子保密通信的出现。


这是因为,传统的密码总是需要信使去送密码本。《红灯记》《潜伏》等谍战片里的情报员就是干这个的,密码本的专业称呼叫做密钥。信使如果被抓,或者叛变,损失就非常巨大。


《红灯记》


后来,密码学家们发明了一种聪明的办法,不需要人去送密钥,而是用数学难题去加密。窃密变成了一种数学挑战赛,如果你能解出这道数学难题,你就可以窃密。但是密码学家相信这道题非常难,你在正常的时间里解不出来,所以可以保密。


公钥密码体制(如RSA)以数学难题(如因数分解)作为保密的基础


然而,这种方法的缺点也是显而易见的。你怎么知道敌人破解不了呢?如果他破解了,难道他会告诉你吗?


事实上,历史上有很多被认为不可破解的密码都被破解了。一个经典的例子,就是二战时盟军破解德国的密码体系“奇谜”(Enigma)的故事。


闪电战创始人古德里安在指挥车上,左下方是Enigma密码机


计算机科学之父、著名数学家阿兰·图灵(Alan Mathison Turing,1912年~1954年)就参与了这项工作,发挥了重要作用。英国政府估计,破解奇谜把二战的结束提前了两年。为了把德国人蒙在鼓里,盟军有时甚至会故意让一些部队去送死。所以直到战败,德国都没有发现自己的密码被破解了。


阿兰·图灵


因此,以前的密码总是处于这样的两难境地,或者可能信使被抓住,或者可能数学被破解。而量子保密通信就是独辟蹊径,提出了一种既不需要信使、也不依赖于数学难题的保密方法。


由于篇幅限制,在这里我不能介绍量子保密通信的具体过程。我只能告诉大家,这是一套技术含量非常高的做法,你要理解它就必须懂得量子力学。


有些人希望用某种脑筋急转弯的方式描述它,发明了种种简单的说法。我只能说,这些说法都是错的,这绝不是脑筋急转弯能描述的。要理解量子保密通信具体是怎么做的,你必须去看专业的教科书,或者看我的文章也能理解个八九不离十《你完全可以理解量子信息(14)| 袁岚峰》


量子保密通信的专业名称:量子密钥分发


然而,我可以告诉大家量子保密通信的原理与效果。


首先,有一个基础的物理学理论叫做量子力学《让中央集体学习的量子科技究竟是啥?这个科普我已经做了五年(一)量子是什么 | 袁岚峰》。它是当今物理学的两大支柱之一,另一个是相对论。量子力学是对微观世界的本质描述。


然后,量子力学中有一些特征能够被信息科学利用。主要有三点:叠加、测量与纠缠。我把它们称为“三大奥义” 《让中央集体学习的量子科技究竟是啥?这个科普我已经做了五年(二)量子力学三大奥义 | 袁岚峰》


量子保密通信的做法,就是利用这些量子力学的特征,让信息的发送方和接收方直接建立联系。双方通过一系列量子力学的操作(在实践中是发射和接收一系列的单个光子,以及随机选择“基组”等专业的内容),同时获得了一段随机字符串,就像011011100011这样。


最重要的是,双方手里的随机字符串是完全相同的,这是由量子力学原理保证的。而且敌人无法窃密,一旦有人在窃听,通信双方立刻就会发现,这也是由量子力学原理保证的。


这样,双方就可以把自己手里的随机字符串作为密钥。用这个密钥把信息加密,后面的传输就完全是传统的通信了。例如可以用光纤,可以用电话,可以用电子邮件,甚至用平信都行。


这是因为,安全地获得密钥之后,密文就可以保证不被数学破解了。所以,量子保密通信的技术难度都在密钥的产生上面,这一步需要量子的信道。而后面的密文传输是很简单的,这一步任何传统的信道都可以。


你可能想问:为什么不直接用量子信道传输信息呢?回答是,这套量子力学的操作只能产生随机字符串,不能按你的意愿表示信息。但随机字符串作为密钥就正合适,所以这不能作为直接传输信息的方法,却成了最安全的加密信息的方法。


量子保密通信的原理,是1984年由加拿大和美国的科学家提出的。但二十一世纪以来,在实验层面,中国后来居上。


2016年,中国发射了世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号”。


2016年8月16日,“墨子号”量子卫星发射


2017年,中国开通了世界第一条量子保密通信的干线“京沪干线”《解读量子通信京沪干线,包你懂 | 袁岚峰》


在2017年9月29日京沪干线开通的新闻发布会上,中国科学院院长白春礼(电子屏右侧)在现场通过“墨子号”量子科学实验卫星,与奥地利科学院院长安东·塞林格(电子屏左侧)进行世界首次洲际量子保密通信视频通话


墨子号实现了卫星与地面站之间的量子保密通信,传输介质是真空与大气层,这叫做自由空间传输。京沪干线实现了北京到上海之间2000公里的量子保密通信,传输介质是光纤。两种方法各有优势,可以互补使用。


京沪干线的32个节点


潘建伟等人最近的这篇文章,介绍的就是墨子号与京沪干线至今为止的运行结果。京沪干线有32个节点,还有两个地面站可以通过墨子号跟京沪干线连接,一个在河北兴隆,另一个在新疆南山。因此,总的跨度达到了4600公里。


《Nature》论文图1:天地一体化量子通信网络示意图


无论是在连接的数量上,还是在生成密钥的速率上,还是在抵抗物理攻击的能力上,还是在稳定性上等等,这个跨度4600公里的天地一体量子保密通信网络都有杰出的表现,初步达到了实用的要求。论文给出了大量的数据,欢迎大家去阅读。


《Nature》论文表1:天地一体化量子通信网络中骨干网、四个城域网(北京、济南、合肥、上海)、两个地面站(兴隆、南山)以及墨子号卫星的各种指标(中继数、节点数、用户数、连接数、平均长度、损失率、成码率)


未来,以天地一体化量子通信网络为基础,中国将进一步推动量子通信在金融、政务、国防、信息等领域的广泛应用。一个例子是使用量子精密测量方法的国家地基授时网络,它将成为世界上最大、精度最高的光纤授时系统。


在基础研究方面,天地一体化量子通信网络也将成为全人类重要的基础设施。例如超大尺度量子干涉的实验可以探索量子力学与广义相对论的融合,这是当今物理学最基础的问题。


最后,来介绍一下其他国家的情况。经常有人说,量子通信是假的,因为其他国家都不搞。这个说法在逻辑层面就是错的,因为判断真假的标准不应该是其他国家搞不搞。而且在事实层面,这个说法也是错的。


欧美在量子通信方面都有大量的计划与研究。他们都想做中国做的事,只是都还没有做到。


例如,德国和日本都有发射量子通信卫星的计划。德国还没有发,日本在2017年发了一颗叫做“苏格拉底”的卫星,号称做到了量子通信。但看一下他们的论文,就会发现他们只是在测试量子通信相关的技术,还没有实现量子通信《日本真的成功进行超小型卫星量子通信实验了吗?| 袁岚峰》。因为他们的技术水平不够,一次要发一亿个光子才能收到,但量子通信必须要每次只发一个光子,所以日本远远没有达标。


日本的微型通信卫星“苏格拉底”(来自日本信息通信研究机构主页)


又如2020年,美国发布的《量子网络战略愿景》提出:“未来5年,美国将展示实现量子网络的基础科学和关键技术,从量子互连、量子中继器、量子存储器到高通量量子信道,以及洲际天基纠缠分发。”


2020年,欧盟发布的量子旗舰计划《战略研究议程》提出:“3年愿景是利用QKD协议和具有可信中继节点的网络实现全球范围的安全密钥分发,6~10年愿景是使用量子中继器在光纤上实现800公里以上的量子通信。”


跟这些计划相比,就能看出中国的领先程度。中国领先欧盟3至5年,领先美国5至8年。


作者简介:袁岚峰,中国科学技术大学化学博士,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员,科技与战略风云学会会长,“科技袁人”节目主讲人,安徽省科学技术协会常务委员,中国青少年新媒体协会常务理事,中国科普作家协会理事,入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物,微博@中科大胡不归,知乎@袁岚峰。


本文来自微信公众号:风云之声(ID:fyvoice),作者:袁岚峰,编辑:陈昕悦

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