海水量子通信：讓黑客望洋興嘆

　　近日，量子通信領(lǐng)域捷報頻傳，上海交通大學(xué)金賢敏團隊成功實(shí)現首個(gè)海水量子通信實(shí)驗，在國際上首次驗證了水下量子通信的可行性，為量子通信技術(shù)上天、入地、下海的未來(lái)圖景添上了濃墨重彩的一筆，填補了海洋作為未來(lái)海陸空一體化量子網(wǎng)絡(luò )最后一塊拼圖的空缺。

　　一石激起千層浪。消息引發(fā)了國內外媒體的熱議。海水量子通信技術(shù)的實(shí)現究竟有何難處?能在哪些領(lǐng)域大顯身手呢?

　　填補最后一塊拼圖

　　目前，基于光纖和衛星的量子通信已被證明可行，覆蓋地球面積70%的海洋是否也能用作量子通信信道呢?

　　利用可見(jiàn)光進(jìn)行水下通信的想法可追溯到上世紀60年代，當時(shí)一系列實(shí)驗證明400納米—550納米的藍綠可見(jiàn)光在海水中的衰減遠小于其他可見(jiàn)波段，即可作為水下通信的“透明窗口”。隨著(zhù)美軍提出衛星—潛艇通信可行性研究之后，激光對潛艇通信迅速成為美國的戰略性研究計劃。但海水對電磁波能量的吸收作用很強，且波長(cháng)越短，衰減越大，即便有這種“透明窗口”，在水下幾米深處對衛星和飛行器進(jìn)行保密通信，也成為海水的“通信禁區”。

　　金賢敏對科技日報記者說(shuō)，海水能否作為量子通信信道一直是個(gè)未解之謎，英美科學(xué)家做過(guò)一些理論研究，但迄今未曾進(jìn)行過(guò)實(shí)驗探索。

　　此次，他們在實(shí)驗中選擇光子的極化作為信息編碼載體，并通過(guò)模擬證明，即使經(jīng)歷了海水巨大的信道損耗，極化編碼的光子也只會(huì )丟失，而不會(huì )發(fā)生量子比特翻轉，也就是說(shuō)，只要存留下少量單光子，仍可被用于建立安全密鑰。

　　國外媒體稱(chēng)之為里程碑

　　最新成果于8月以《邁向自由空間海水中的量子通信》為題的長(cháng)文，發(fā)表在國際光學(xué)領(lǐng)域著(zhù)名期刊《光學(xué)快報》雜志上，并被選為編輯推薦文章。

　　嗅覺(jué)靈敏的國際科學(xué)雜志《新科學(xué)家》緊隨其后，8月23日也以《首個(gè)水下量子糾纏將導致不可破譯通信技術(shù)》為題進(jìn)行了報道。加拿大量子衛星項目負責人托馬斯·詹內懷恩對《新科學(xué)家》雜志表示，雖然以前也討論過(guò)水下量子通信的想法，但一直沒(méi)有任何人做過(guò)這樣的實(shí)驗。

　　同日，美國知名科技博客“TheNextWeb”以《科學(xué)家發(fā)展了基于海水傳態(tài)的不可破譯通信技術(shù)》為題進(jìn)行了報道。美國基礎問(wèn)題研究所(FQXI)更是將該工作視為繼“墨子號”量子衛星之后，中國在量子通信領(lǐng)域的又一里程碑式成果。

　　《每日郵報》在8月24日的報道中指出：“最新技術(shù)朝著(zhù)在全球海洋中，使用激光發(fā)送無(wú)法破解的互聯(lián)網(wǎng)數據邁出了重要的第一步。”

　　有望在軍事領(lǐng)域大展拳腳

　　海水量子通信有何具體應用呢?詹內懷恩對《新科學(xué)家》雜志說(shuō)：“借助海水量子通信技術(shù)，潛艇將能以更安全的方式相互通信。”

　　金賢敏團隊的實(shí)驗結果顯示，可預期的水下量子通信最遠距離可達數百米，足以對水下百米量級的潛艇和傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)等進(jìn)行保密通信，從而在軍事和高商業(yè)機密領(lǐng)域大顯身手。

　　金賢敏滿(mǎn)懷憧憬地說(shuō)：“未來(lái)，我們可以想象一個(gè)由數百個(gè)相距百米的海上移動(dòng)基站所構成的海上局域量子通訊網(wǎng)絡(luò )，或者是由一艘艦艇作為中繼站，來(lái)保證衛星與海底潛艇之間絕對安全的量子通信。”

　　不僅如此，《每日郵報》的報道還稱(chēng)，使用水下方法傳輸數據會(huì )比借助衛星傳輸更快且更廉價(jià)。

　　海陸空一體量子通信時(shí)代可期

　　《新科學(xué)家》雜志的報道指出，盡管這一實(shí)驗取得了成功，但我們并不清楚這是否足以創(chuàng )建出一個(gè)通信系統。

　　美國密蘇里大學(xué)的杰弗瑞·烏爾曼也說(shuō)：“因為海水會(huì )吸收光，所以，要想延長(cháng)距離很難。一個(gè)解決辦法是使用中繼站，但就此刻而言，距離實(shí)際應用還有比較長(cháng)的路要走。”

　　對此，金賢敏表示，這只是一個(gè)開(kāi)始。他們計劃在未來(lái)進(jìn)行外場(chǎng)實(shí)驗，攻克一系列技術(shù)難題，比如克服海水的晃動(dòng)對光子的影響，進(jìn)一步提高光子在海水中的傳播距離。此外，他們還會(huì )探索利用糾纏光子來(lái)實(shí)現水下量子隱形傳態(tài)，探索量子中繼實(shí)驗的可行性。

　　金賢敏說(shuō)：“也許，在不久的將來(lái)，可實(shí)用的水下、空海一體的量子通信時(shí)代就會(huì )到來(lái)。”

　　光子極化編碼的量子態(tài)在海水中傳輸示意圖

　　海水中的量子糾纏分發(fā)實(shí)驗裝置圖