量子通信最強科普：絕對保密！

　　新聞背景

　　2015年底，英國物理學(xué)會(huì )《物理世界》評選的2015年度國際物理學(xué)領(lǐng)域十項重大突破，名列榜首的就是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)等組成的研究小組，在國際上首次成功實(shí)現“多自由度量子隱形傳態(tài)”。

　　量子通信，是近年來(lái)很熱門(mén)的一個(gè)詞匯，但大多數讀者對此都是云里霧里。這里我們就來(lái)做一點(diǎn)基本的科普。

　　什么是“量子”和量子通信

　　“量子”不是一種粒子，而是微觀(guān)世界的一種性質(zhì)：物質(zhì)或者粒子的能量和其他一些性質(zhì)都傾向于不連續的變化。例如，當我們把通常光源發(fā)出的一束光通過(guò)衰減片進(jìn)行反復衰減，其能量不斷減弱，最后就會(huì )成為一份一份不連續的能量顆粒，這樣不可分割的最小能量顆粒被稱(chēng)為單光子或光量子。也就是說(shuō)，光量子是構成光的最基本單元，是光能的最基本攜帶者，不可分割。

　　光在傳播的同時(shí)還在振動(dòng)，例如沿水平方向振動(dòng)或沿豎直方向振動(dòng)。如果把水平振動(dòng)狀態(tài)叫做“0”，豎直振動(dòng)狀態(tài)叫做“1”，利用這兩個(gè)狀態(tài)就可以加載一個(gè)比特的信息。但與經(jīng)典比特不同的是，光量子比特不但可以處于水平振動(dòng)狀態(tài)(“0”)或豎直振動(dòng)狀態(tài)(“1”)，還可以同時(shí)處于這兩個(gè)狀態(tài)的一種疊加狀態(tài)(“0+1”)，存在這種所謂的量子相干疊加，就是量子世界與經(jīng)典世界的根本區別。

　　廣義地說(shuō)，量子通信是指利用量子比特作為信息載體來(lái)傳輸信息的通信技術(shù)。由于利用了量子力學(xué)的基本原理，量子通信能夠在確保信息安全、增大信息容量等方面，突破經(jīng)典信息技術(shù)的極限。量子通信內涵很廣泛，量子隱形傳態(tài)、量子保密通信、量子密集編碼等都屬于量子通信范疇，而量子保密通信是目前最接近實(shí)用化的量子信息技術(shù)。

　　量子保密通信為何不可破解

　　信息的安全傳送是千百年來(lái)人類(lèi)的夢(mèng)想之一，然而經(jīng)典信息很容易被竊取，因此保障通信安全的主要方法就是對信息進(jìn)行加密。人們已經(jīng)發(fā)展了各種各樣的經(jīng)典密碼和加密算法，它們主要是利用計算的復雜性來(lái)確保通信安全——竊聽(tīng)者在沒(méi)有破解密鑰的情況下，在有限的時(shí)間內無(wú)法完成破譯所需的大量計算。

　　但是，數學(xué)的不斷進(jìn)步，可能使得一些現在看起來(lái)無(wú)法利用數學(xué)方法破解的加密解密算法在未來(lái)得以破解。更為嚴峻的是，計算能力的提升速度和潛力，已遠遠超過(guò)了人們最初的想象，經(jīng)典密碼加密技術(shù)對于通信安全的保障，也顯得遠非預期那樣可靠。

　　量子通信系統的問(wèn)世，重新點(diǎn)燃了建造安全的通信系統的希望。

　　量子相干疊加會(huì )帶來(lái)奇特的量子特性。例如，對于一個(gè)未知狀態(tài)的單光子，要想精確復制它的狀態(tài)是不可能的，這稱(chēng)為量子不可克隆原理。這是因為，若要對單光子的狀態(tài)進(jìn)行復制，就要首先對其進(jìn)行測量，但量子相干疊加決定了測量會(huì )對單光子的狀態(tài)產(chǎn)生擾動(dòng)，因此無(wú)法獲得其狀態(tài)的精確信息，也就無(wú)法實(shí)現對其狀態(tài)的精確復制。單個(gè)光量子不可分割和量子不可克隆原理這些量子世界的奇特性質(zhì)，保證了量子保密通信的安全性。

　　在量子保密通信過(guò)程中，發(fā)送方和接收方采用單光子的狀態(tài)作為信息載體來(lái)建立密鑰。由于單光子不可分割，竊聽(tīng)者無(wú)法將單光子分割成兩部分，讓其中一部分繼續傳送，而對另一部分進(jìn)行狀態(tài)測量獲取密鑰信息。又由于量子測不準原理和不可克隆定理，竊聽(tīng)者無(wú)論是對單光子狀態(tài)進(jìn)行測量或是試圖復制之后再測量，都會(huì )對光子的狀態(tài)產(chǎn)生擾動(dòng)，從而使竊聽(tīng)行為暴露。理論表明，通信雙方只要按照協(xié)議產(chǎn)生了密鑰，就一定是安全的。

　　建立量子通信網(wǎng)絡(luò )已有途徑

　　1984年，美國ibm公司的bennett和加拿大蒙特利爾大學(xué)的brassard共同提出了第一個(gè)量子密碼通信方案，即著(zhù)名的bb84方案，標志著(zhù)量子通信領(lǐng)域的誕生。但在早期階段，量子通信的安全通信距離只有10公里量級，不具有實(shí)用價(jià)值。

　　2005年，華人科學(xué)家王向斌、羅開(kāi)廣、馬雄峰和陳凱等人，共同提出了基于誘騙態(tài)的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗方案，從理論上把安全通信距離大幅度提高到100公里以上。

　　雖然采用誘騙態(tài)方案在光纖中可以實(shí)現城域量子通信網(wǎng)絡(luò )，但由于光子易被光纖吸收，造成損耗，導致信號在光纖傳送的過(guò)程中越來(lái)越弱;而量子保密通信的安全性正是建立在量子信號不能被復制(所以不能被放大)的基礎上。因此僅僅利用光纖難以實(shí)現遠距離的量子通信。

　　為了解決這個(gè)問(wèn)題，有兩種可行的途徑。一種是利用所謂的“量子中繼”，形象化的說(shuō)法即“量子接力”：將相距較遠的通信線(xiàn)路分為數段，每一段的損耗因此較小，然后在量子中繼的幫助下，把光子攜帶的信息一段段如同接力賽一樣向前傳遞。另一種是自由空間單光子傳輸。這是由于大氣對某些波長(cháng)的光的吸收有限，到了外層空間則幾乎沒(méi)有光損耗，因此可以突破大氣層通過(guò)衛星的中轉實(shí)現數千公里甚至是全球化的量子通信。

　　總之，發(fā)展量子保密通信技術(shù)的終極目標，是構建廣域乃至全球范圍的絕對安全的量子通信網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)光纖實(shí)現城域量子通信網(wǎng)絡(luò )連接一個(gè)中等城市內部的通信節點(diǎn)、通過(guò)中繼技術(shù)實(shí)現鄰近兩個(gè)城市之間的連接、通過(guò)衛星與地面站之間的自由空間光子傳輸和衛星平臺的中轉實(shí)現兩個(gè)遙遠區域之間的連接，是目前條件下實(shí)現全球廣域量子通信最理想的途徑。