量子通信：無(wú)法破譯的密碼

公元前405年，斯巴達(dá)和雅典之間的戰(zhàn)爭(zhēng)已進(jìn)入尾聲。此時(shí)，斯巴達(dá)軍隊(duì)捕獲了一名從波斯帝國(guó)回國(guó)的雅典信使，從他身上搜出一條布滿(mǎn)雜亂無(wú)章的希臘字母的普通腰帶。統(tǒng)帥萊桑德無(wú)意中把腰帶呈螺旋形纏繞在劍鞘上時(shí)，奇跡出現(xiàn)了——毫無(wú)規(guī)律可循的字母竟然組成了一段文字。原來(lái)波斯帝國(guó)密謀在斯巴達(dá)軍隊(duì)發(fā)起最后攻擊時(shí)，對(duì)斯巴達(dá)軍隊(duì)進(jìn)行突襲。獲悉情報(bào)后，斯巴達(dá)軍隊(duì)改變了作戰(zhàn)計(jì)劃。

這就是世界上最早的密碼情報(bào)。2400多年來(lái)，密碼在軍事、外交、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而密碼學(xué)也得以飛速發(fā)展。

時(shí)至今日，“密碼”一詞已與人們的日常生活密不可分，電子郵箱要設(shè)密碼，銀行取款要按密碼，計(jì)算機(jī)登錄要輸密碼，開(kāi)啟保險(xiǎn)箱要用密碼……然而，盡管經(jīng)歷了手工加密、機(jī)器編碼、計(jì)算機(jī)編碼等不斷升級(jí)的過(guò)程，密碼變得越來(lái)越復(fù)雜、越來(lái)越可靠，但是“道高一尺魔高一丈”，對(duì)於密碼的破譯從來(lái)都和密碼的升級(jí)如影隨形。換句話說(shuō)，無(wú)論什麼樣的高級(jí)密碼，都有被破解的可能。

那麼，有沒(méi)有一種絕對(duì)安全可靠，不能被破譯的密碼存在呢？現(xiàn)代量子信息理論與實(shí)驗(yàn)的快速發(fā)展使這一切變成可能。

一般而言，保密通信都可以分為“加密”“接收”“解密”三個(gè)過(guò)程，發(fā)送者將發(fā)送內(nèi)容通過(guò)某種加密規(guī)則（密鑰）轉(zhuǎn)化為密文，接收者在接到密文后採(cǎi)用與加密密鑰匹配的解密密鑰對(duì)密文進(jìn)行解密，得到傳輸內(nèi)容。

量子保密通信的過(guò)程也是相同的，隻不過(guò)作為加密和解密的密鑰不再是傳統(tǒng)的密碼，而是改用微觀粒子攜帶的量子態(tài)信息。這一看似微小的變化，卻使密鑰的安全性產(chǎn)生了翻天覆地的變化。

“古人在信封上用火漆封口，這樣一旦信件被中途竊取拆開(kāi)，就會(huì)留下泄密的痕跡?！敝袊?guó)科大潘建偉院士打比方說(shuō)，“量子密鑰在量子通信中的作用就像火漆一樣，但比火漆更徹底。一旦有人試圖打開(kāi)信件，量子密鑰會(huì)讓信件自毀，並讓使用者知曉。這樣，竊聽(tīng)者不但竊聽(tīng)不到量子電話的通話內(nèi)容，還會(huì)暴露自己。所以，從原理上說(shuō)，無(wú)論是現(xiàn)在還是將來(lái)，無(wú)論破譯者掌握了多麼先進(jìn)的竊聽(tīng)技術(shù)、多強(qiáng)大的破譯能力，隻要量子力學(xué)規(guī)律成立，量子保密通信就無(wú)法被破解。”

國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈

1984年，IBM華生實(shí)驗(yàn)室工程師本奈特和布拉薩德提出全新的通信協(xié)議，叩開(kāi)量子保密通信的大門(mén)。此后，西方發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是歐盟、美國(guó)和日本均投入了大量人力、物力進(jìn)行量子通信的理論和實(shí)驗(yàn)研究。

在這一過(guò)程中，科學(xué)家們克服了重重難關(guān)。比如，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，雖然有了完備的密鑰分發(fā)協(xié)議，但如何產(chǎn)生真正的單個(gè)光子，如何減少光子信號(hào)在傳輸過(guò)程中受光纖和周?chē)h(huán)境的干擾而損耗等問(wèn)題，始終是量子通信實(shí)際應(yīng)用時(shí)的困擾。

近十幾年來(lái)，量子通信的距離和速率都有了飛躍式的提升，通信距離已經(jīng)超過(guò)了200公裡。一些小規(guī)模的量子通信試驗(yàn)網(wǎng)已經(jīng)建成，驗(yàn)証了量子通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化的可行性，並在國(guó)家安全、金融等信息安全領(lǐng)域開(kāi)始發(fā)揮作用。2004年，奧地利銀行成為世界上首個(gè)採(cǎi)用量子通信的銀行，利用該技術(shù)，一張重要支票被從市長(zhǎng)處傳至銀行﹔2007年，瑞士全國(guó)大選的選票結(jié)果傳送時(shí)也採(cǎi)用了量子保密通信技術(shù)，以保証結(jié)果的絕對(duì)安全。

很顯然，下一步的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)將更加激烈，人類(lèi)將致力於將量子保密通信向更遠(yuǎn)距離和更大規(guī)模的廣域網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。為此，歐盟《量子信息處理和通信：歐洲研究現(xiàn)狀、願(yuàn)景與目標(biāo)戰(zhàn)略報(bào)告》提出了歐洲量子通信的未來(lái)發(fā)展目標(biāo)，將重點(diǎn)發(fā)展量子中繼和衛(wèi)星量子通信，實(shí)現(xiàn)千公裡量級(jí)的量子密鑰分發(fā)﹔歐洲空間局則計(jì)劃在國(guó)際空間站上的量子通信終端與一個(gè)或多個(gè)地面站之間建立自由空間量子通信鏈路，演示量子密鑰全球分發(fā)的可行性﹔日本國(guó)立信息通信研究院則計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)量子中繼，到2040年建成極限容量、無(wú)條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網(wǎng)絡(luò)﹔而美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的理查德·休斯及其研究伙伴們近日表示，在過(guò)去幾年中他們一直在悄悄創(chuàng)建一套輻射狀的量子互聯(lián)網(wǎng)。

“中國(guó)軍團(tuán)”后來(lái)居上

在量子保密通信這場(chǎng)國(guó)際化競(jìng)爭(zhēng)中，我國(guó)盡管屬於后來(lái)者，但起點(diǎn)高，進(jìn)展快，在應(yīng)用研究的多個(gè)方面已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平，其中在城域量子通信關(guān)鍵技術(shù)方面已經(jīng)達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化要求，產(chǎn)業(yè)化預(yù)備方面與歐美處?kù)锻人綘顟B(tài)。

在量子通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化研究方面，中國(guó)科大潘建偉小組於2008年建成光量子電話網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了“一次一密”加密方式的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通話，真正做到了“電話互聯(lián)互通、語(yǔ)音實(shí)時(shí)加密、安全牢不可破”的量子保密電話網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使得我國(guó)在實(shí)用化量子網(wǎng)絡(luò)通信研究方面在國(guó)際上走在了前列。這一成果早於歐洲科學(xué)家發(fā)布的SECOQC網(wǎng)絡(luò)，一經(jīng)發(fā)表即在國(guó)內(nèi)外產(chǎn)生良好反響，美國(guó)《科學(xué)》雜志以“量子電話”為題進(jìn)行了報(bào)道，並評(píng)論道：“有了這樣的演示，量子私密進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)不會(huì)是很遙遠(yuǎn)的未來(lái)”。2009年，中國(guó)科大郭光燦小組在安徽省蕪湖市建成了“量子政務(wù)網(wǎng)”。

2012年初，基於潘建偉小組的研究成果，世界上規(guī)模最大的46節(jié)點(diǎn)的量子通信試驗(yàn)網(wǎng)在安徽省合肥市建成，標(biāo)志著大容量的量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)取得了關(guān)鍵突破﹔與此同時(shí)，新華社和中國(guó)科大合作建設(shè)的金融信息量子通信驗(yàn)証網(wǎng)在北京開(kāi)通，在世界上首次實(shí)現(xiàn)了利用量子通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)金融信息的安全傳輸。

潘建偉小組還在量子存儲(chǔ)和量子中繼器技術(shù)研究方面處?kù)秶?guó)際領(lǐng)先地位，2008年，該小組通過(guò)糾纏交換實(shí)現(xiàn)了由300米光纖相連的兩團(tuán)冷原子氣體的量子糾纏，完美地構(gòu)建了量子中繼器的一個(gè)基本節(jié)點(diǎn)，向遠(yuǎn)距離量子通信邁出了重要的一步。2009年，該小組又將量子存儲(chǔ)的時(shí)間提高到毫秒量級(jí)，較之前最好的結(jié)果提高了兩個(gè)量級(jí)。2012年，該小組成功實(shí)現(xiàn)了3.2毫秒的存儲(chǔ)壽命及73%的讀出效率的量子存儲(chǔ)，為目前國(guó)際上量子存儲(chǔ)綜合性能指標(biāo)最好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

量子衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)“全球通”

科學(xué)家們認(rèn)為，量子保密通信技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用將分三步走：一是通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)﹔二是通過(guò)量子中繼器實(shí)現(xiàn)城際量子通信網(wǎng)絡(luò)﹔三是通過(guò)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)可覆蓋全球的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。目前，我國(guó)量子保密通信技術(shù)在城域網(wǎng)上的使用已基本成熟，可以推廣——連接北京和上海的千公裡光纖量子通信骨干網(wǎng)工程“京滬干線”已正式立項(xiàng)，有望在兩到三年內(nèi)投入使用。

但由於光子易被信道吸收，光纖量子通信很難突破百公裡量級(jí)傳輸距離的限制，因此要實(shí)現(xiàn)廣域的量子保密通信，還需要借助衛(wèi)星。這主要是因?yàn)榇髿鈱?duì)某些特定波長(zhǎng)的光子吸收非常小，而且大氣層以外幾乎是真空，因此量子信息的攜帶者光子在外層空間傳播時(shí)幾乎沒(méi)有損耗，如果能夠在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)糾纏光子在穿透整個(gè)大氣層后仍然存活並保持其糾纏特性，就有望克服光纖傳輸?shù)娜觞c(diǎn)，甚至可以覆蓋全球。

目前，潘建偉團(tuán)隊(duì)作為在國(guó)內(nèi)惟一開(kāi)展星—地自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)研究的團(tuán)隊(duì)，牽頭組織了中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”，計(jì)劃在2016年左右發(fā)射量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在此基礎(chǔ)上將實(shí)現(xiàn)高速的星地量子通信並連接地面的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

2005年，他們?cè)谑澜缟系谝淮螌?shí)現(xiàn)了13公裡自由空間量子通信實(shí)驗(yàn)，突破了等效大氣層厚度，証實(shí)了星—地量子通信的可行性﹔2009年，他們又在八達(dá)嶺長(zhǎng)城附近成功實(shí)現(xiàn)了16公裡的自由空間量子隱形傳態(tài)﹔2012年，他們?cè)谇嗪：瓿闪税俟e自由空間量子態(tài)隱形傳輸與糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)﹔2013年，他們?cè)趪?guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)了星地量子密鑰分發(fā)的全方位的地面驗(yàn)証，驗(yàn)証了星地之間安全量子信道的可行性，為實(shí)現(xiàn)基於星地量子通信的全球化量子網(wǎng)絡(luò)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

隨著量子通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，在不久的將來(lái)，作為保障未來(lái)信息社會(huì)通信安全的關(guān)鍵技術(shù)，量子保密通信將有望走向大規(guī)模應(yīng)用，極有可能會(huì)進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)，服務(wù)於大眾，成為電子政務(wù)、商務(wù)、醫(yī)療，生物特征傳輸和智能傳輸系統(tǒng)等各種電子服務(wù)的驅(qū)動(dòng)器，為高度信息化的社會(huì)提供基礎(chǔ)的安全服務(wù)和最可靠的安全保障。（記者 李陳續(xù) 通訊員 蔣家平）