ENC:跨越4600公里的星地量子密鑰分發真的存在嗎？_SCI

1000年前，如果我們在廣東，想給在北京的家人寄一封家書，一個來回可能需要一年半載。

100年前，我們可以發電報，用時可能需要幾天，按字符收費。

10年前，我們可以打電話，接通僅需幾秒鐘。

現在，我們可以直接視頻通話，延遲可控制在毫秒級別。

▲5G進一步降低了通信延遲。圖片來自：蘋果官網

信息傳遞的載體，從人力，逐漸發展到電波、電話線和光纖，信息遲滯越來越小，但是光的最高速度為299792458m/s，如果距離夠遠，還是會存在可明顯感知的延遲。

有沒有更快的信息傳播方法呢？

理論上有，那就是量子通信。但目前的技術顯示很難實現，所以科學家把目光投在了「量子加密」上。

中國科學技術大學1月7日宣布，中國科研團隊成功實現了跨越4600公里的星地量子密鑰分發，標志著我國已構建出「天地一體化廣域量子通信網」雛形，該成果已在英國《自然》雜志上刊發。

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量子是什么？

理論上的量子通信，就是利用了量子的幾大神秘特性來實現的：

量子糾纏不可分割不可克隆理論證明，兩個相互糾纏的量子即使隔著宇宙級的距離，其中一個量子發生了變化，另一個也會同步發生變化，打破「光速牢籠」，實現真正的實時通信。

請注意，我們在量子通信前加了一個定語，叫「理論上」，這是因為量子通信還有有待攻破的難點，更有很多人認為量子通信不可能實現，前文說的「天地一體化廣域量子通信網」，其實原理是利用量子的不可分割及不可克隆性質，提高通信的保密程度，并不是真正意義上的完美量子通信。

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4600公里傳輸距離如何實現？

論文顯示，「天地一體化廣域量子通信網」主要由三部分組成。

一顆「墨子號」量子衛星七百多個光纖量子密鑰分發鏈路兩個地面實驗站

▲天地一體化廣域量子通信網.圖片來自：中國科學技術大學

通信網在北京、濟南、合肥和上海分別部署了共4個關鍵的隊列管理器，再由一條超過2000公里的主干光纖鏈路和兩條連接興隆和南山的「地-星鏈路」連接。

工作時，「墨子號」衛星沿太陽同步軌道運轉，高度約500公里，連接到興隆和南山的地面站，進行量子密鑰分配。最后經過高效的BB84協議后處理程序，提取出最終的安全密鑰。

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▲量子通信衛星與地面站實驗示意圖。圖片來自：中國科學技術大學

目前，研究人員可以獲得每周大約36Mbit的總密鑰大小，通過「墨子號」生成的密鑰可支持大約6000個用戶。

此次嘗試難點有哪些？

量子實在是太小了，一次呼吸、一個電燈泡發出的光，一個簡單的動作，都能帶動億萬個量子，而單個量子又存在不確定性，想要完全「掌控」量子不是那么容易的，因此跨越4600公里的星地量子密鑰分發有很多技術性難點。

1.單個光子制備

發表「天地一體化廣域量子通信網」論文的潘建偉院士潘建偉說，一個15瓦左右的燈泡每秒鐘輻射出的光量子個數可達十萬億億個，想要實現單個光量子的制備就如同在這十萬億億個光量子發射出來的瞬間捕捉到其中的某一個。

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▲電影《蟻人》用藝術手法展示了微觀世界的場景。圖片來自：《蟻人》

2.單光子的探測

單個光子已經是光能量的最小單元，能量是非常微弱的，需要發展出非常精密和高效的單光子探測技術。具備了單個光量子的制備和探測能力后，才能夠實現安全的量子通信。

▲2016年11月26日拍攝的“墨子號”量子科學實驗衛星與興隆量子通信地面站建立天地鏈路。圖片來自：中國科學技術大學

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3.星地通信好比萬米高空投硬幣

「墨子號」衛星常務副總設計師王建宇舉例說，「要從1000千米的高度把一個個光子發射到地面站，就好比在萬米高空高速飛行的飛機上，同時向地面兩個旋轉的投幣口細長的儲蓄罐扔進一個個硬幣。儲蓄罐的投幣口是細長的，相當于光的偏振，它是有方向的，硬幣要把方向對好才能扔進去，而且不是扔一個，要兩邊同時都扔準才行。」

4.地面探測難度遠超千里眼

根據計算，一根火柴劃一下大概有1017個光子，而衛星地面站的探測能力，相當于在地球上的人要發現在月亮上有人劃了一根火柴。此外，還要在每秒一億個光子里面，搞明白地面探測到的是第幾個光子，這些光子都是排好隊的，探測一個就要知道它是第幾個，這樣才能用來做密鑰。

備注：以上技術難點來源為央視新聞。

論保密，量子加密最可靠

有人看完可能會有疑問，信息還是依靠衛星和光纖傳輸，和量子通信有什么關系呢？

先來說說發微信。我們用手機發送微信時，所有信息都要用算法加密后才進行傳輸，否則信息容易被截獲查看。

但是，所有的加密算法理論上都是可以被破解的，還是會有信息泄露的風險。比如商業機密、軍事信息等，為了保證更高的安全性，加密算法比一般信息的傳輸更為復雜。

▲RSA加密解密過程圖解。圖片來自：百度百科

有沒有萬無一失的加密方法呢？科學家想到可以利用量子密鑰對信息進行加密。

量子密鑰分配利用「單量子不可克隆定理」來實現密鑰配送的絕對安全。「不可克隆定理」是指對任意一個未知的量子態進行完全相同的復制的過程是不可實現的，因為復制的前提是測量，而測量一般會改變該量子的狀態。

▲量子糾纏示意圖，兩個糾纏的量子，其中一個量子的狀態發生變化，另一個也會同步出現變化。圖片來自：ScienceNews

中國科學技術大學表示，量子密鑰由于作為信息載體的單光子不可分割、量子狀態不可克隆，進而能保證用其加密的內容不可破譯。量子密鑰分發是迄今為止唯一被嚴格證明是原理上無條件安全的通信方式。

打個不太準確的比方，經過量子密鑰加密的信息就像一個特殊的信封，只要截獲信封的人想打開它，里面的信件就會自動消失，截獲行為變得毫無意義。

這次登上《自然》雜志的「實現了跨越4600公里的天地一體化廣域量子通信網」，用通俗的話語理解，是給傳統通信方式加上量子密鑰。

據悉，量子保密通信技術已經為紀念抗戰勝利70周年閱兵、十九大等國家重要會議和活動提供了信息安全保障。此外銀行業監管信息報送、人民幣跨境收付信息管理系統、網上銀行數據異地災備系統等都應用了量子保密通信技術。

量子通信的未來

▲圖片來自：ScienceNews

2016年，美國網絡安全技術供應商賽門鐵克曝出，一個名為「神行客」的黑客小組過去5年間對中國、俄羅斯等國展開網絡攻擊，該黑客小組技術手段先進，賽門鐵克懷疑該小組有國家背景的團隊支援。

實際上，這只是黑客攻擊的冰山一角，攻擊每時每刻都在發生，防不勝防，「天地一體化廣域量子通信網」和2000公里量子保密通信干線就是在這樣的背景下誕生的，成為了信息安全的「長城」。

很多人看到了量子通信網發揮的巨大作用，應該會不禁發問：目前以光纖為主干的通信網絡是否會被很快取代？

潘建偉院士在接受《科技日報》采訪中表示，量子加密通信并不是要顛覆或者取代現有的通信方式，反而是可以大幅提升現有系統的安全性。

看來，真正的量子通信，還有很長的路要走。

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