E91量子通信協(xié)議示意圖

拿起電話，不用擔(dān)心被竊聽(tīng);通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送一份保密文件，不用擔(dān)心途中被竊取……隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)保密提出越來(lái)越多的需求，而各種保密通信體系也在不斷地滿足著這些需求。

近日，國(guó)家互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急中心相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，我國(guó)已成為網(wǎng)絡(luò)攻擊最大的受害國(guó)。確保信息安全，成為擺在我們面前的嚴(yán)峻課題。

2009年，量子政務(wù)網(wǎng)、量子通信網(wǎng)相繼在我國(guó)建成。這兩個(gè)可投入實(shí)際使用的量子通信網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)志著原本停留在紙面和實(shí)驗(yàn)室的量子保密通信，已經(jīng)開(kāi)始在人們的日常生活中一展身手。

什么是量子保密通信?

保密通信分為加密、接收、解密3個(gè)過(guò)程：發(fā)送者將需要發(fā)送的內(nèi)容通過(guò)某種加密規(guī)則(密鑰)轉(zhuǎn)化為密文;接收到密文后，接收者采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。

在整個(gè)通信過(guò)程中，如何保證密鑰的保密性和不被破解是最為關(guān)鍵的問(wèn)題。目前廣泛用于網(wǎng)絡(luò)、金融行業(yè)的密鑰的安全性由數(shù)學(xué)計(jì)算來(lái)保證。

量子保密通信的過(guò)程與此類(lèi)似，只是用微觀粒子攜帶的狀態(tài)信息作為加密和解密用的密鑰?？刹荒苄】催@看似“微小”的變化，它使密鑰的安全性發(fā)生了翻天覆地的變化。

因?yàn)榱孔用荑€安全性不再由數(shù)學(xué)計(jì)算，而是由微觀粒子所遵循的物理規(guī)律來(lái)保證，竊聽(tīng)者只有逾越物理世界的法則才有可能盜取密鑰。

而在當(dāng)前看來(lái)，這幾乎是不可能的任務(wù)。不僅如此，量子保密通信還使竊聽(tīng)者無(wú)處藏身。因?yàn)槿魏胃`聽(tīng)行為都會(huì)擾亂傳送密鑰的量子狀態(tài)，從而留下痕跡。

量子態(tài)隱形傳輸是一種全新通信方式，它傳輸?shù)牟辉偈墙?jīng)典信息而是量子態(tài)攜帶的量子信息，是未來(lái)量子通信網(wǎng)絡(luò)的核心要素。

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如何實(shí)現(xiàn)量子保密通信?

量子保密通信真正進(jìn)入科學(xué)家的視野是在1984年。這一年，IBM華生實(shí)驗(yàn)室工程師本奈特(Charles Bennett)和布拉薩德(Gilles Brassard)提出了全新的BB84保密通信協(xié)議。量子的某些基本物理特性開(kāi)始成為保密通信中的主角。

和其他的保密通信協(xié)議一樣，本奈特和布拉薩德的方案中也有一個(gè)信息發(fā)送者愛(ài)麗絲和一個(gè)接收者鮑勃。不同的是，愛(ài)麗絲用光子的不同偏振態(tài)來(lái)傳輸密鑰的鍵值。愛(ài)麗絲按照直線(上下或左右)或者對(duì)角線(與垂直呈45度夾角)偏振的方式發(fā)出攜帶著不同信息的光子。

鮑勃收到光子后，并不知道發(fā)送方式，只能隨機(jī)選擇測(cè)量方式。當(dāng)他的測(cè)量方式與愛(ài)麗絲的相同時(shí)，就能得到正確的密鑰值，如果測(cè)量方式錯(cuò)誤，光子就有一半概率給出錯(cuò)誤的密鑰值。

最后，愛(ài)麗絲可以通過(guò)公開(kāi)渠道告訴鮑勃正確的測(cè)量方式，從而篩選出正確的鍵值構(gòu)成密鑰。

如果有人企圖竊聽(tīng)又會(huì)如何呢?按照海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理，任何測(cè)量都無(wú)法窮盡量子的所有信息。

因此，竊聽(tīng)者要復(fù)制一個(gè)完全相同的光子根本是不可能的事情。他只有在中途攔截光子進(jìn)行測(cè)量，然后按照測(cè)量到的信息發(fā)送一個(gè)相同的粒子。

與鮑勃一樣，竊聽(tīng)者伊娃這時(shí)只能隨機(jī)選擇測(cè)量方式。而按錯(cuò)誤測(cè)量方式得到的信息必然會(huì)誤導(dǎo)她發(fā)出錯(cuò)誤的光子信號(hào)。當(dāng)愛(ài)麗絲與鮑勃對(duì)照密鑰時(shí)，這些蛛絲馬跡就會(huì)“供出”竊聽(tīng)者的存在。

量子保密通信技術(shù)基于量子力學(xué)原理，能確保兩地之間密匙分配的絕對(duì)安全性，從而保證了通信的絕對(duì)安全。

伊娃用錯(cuò)誤方式接收光子的概率為50%，而鮑勃有50%的可能用正確方式接收這個(gè)光子，因此每竊聽(tīng)一個(gè)光子，竊聽(tīng)者有25%的可能被發(fā)現(xiàn)。這似乎是一次成功的竊聽(tīng)。但往往密鑰并非只由一個(gè)光子信息組成，當(dāng)密鑰長(zhǎng)度增長(zhǎng)至72個(gè)光子時(shí)，伊娃僅有十億分之一的可能不被發(fā)現(xiàn)。這真是應(yīng)了一句古話：常在河邊走，哪有不濕鞋。

1991年，英國(guó)科學(xué)家?？颂?Artur Ekert)又提出了一套新想法。在這套被稱作E91的通信協(xié)議中，量子糾纏態(tài)被用于傳輸和保證信息安全。

根據(jù)這種被愛(ài)因斯坦稱作“幽靈般超距作用”的量子行為，兩個(gè)粒子經(jīng)過(guò)相互作用后似乎就具有了某種“心電感應(yīng)”：無(wú)論距離多遠(yuǎn)，只要一個(gè)粒子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)粒子也會(huì)改變狀態(tài)。這種“心電感應(yīng)”幾乎是在瞬間發(fā)生，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)光速。

如果愛(ài)麗絲和鮑勃各持有這樣一個(gè)粒子，愛(ài)麗絲只要對(duì)粒子進(jìn)行某種操作，這個(gè)信息就會(huì)瞬間傳輸?shù)锦U勃處。在E91協(xié)議中，愛(ài)麗絲和鮑勃先各自隨機(jī)選取方式對(duì)各自的粒子進(jìn)行測(cè)量，然后選取雙方使用了相同測(cè)量方式得到的結(jié)果作為密鑰。

而要檢測(cè)是否有竊聽(tīng)者，愛(ài)麗絲和鮑勃只要挑選出他們使用了不同測(cè)量方式的粒子，檢測(cè)它們是否仍然是糾纏粒子對(duì)就可以了。如果兩個(gè)粒子不再具有“心電感應(yīng)”，那必定有人在傳輸途中“偷梁換柱”。

E91、BB84及其1992年的變體B92協(xié)議是構(gòu)成了目前應(yīng)用最廣泛的量子保密通信體系?；?qū)⑺鼈兩约幼兓?，或互相借鑒，科學(xué)家們希望籍此實(shí)現(xiàn)最安全、有效、便利的保密通信。

“量子政務(wù)網(wǎng)”關(guān)鍵設(shè)備全通型量子路由器 來(lái)源：中廣網(wǎng)

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量子通信到底有多遠(yuǎn)?

本奈特和布拉薩德1984年用全新的通信協(xié)議叩開(kāi)量子保密通信的大門(mén)，至今1/4個(gè)世紀(jì)的時(shí)間已經(jīng)過(guò)去。然而，量子保密通信離走進(jìn)尋常百姓家仍有一段距離。究竟是什么阻擋了人類(lèi)的腳步?

1989年，華生實(shí)驗(yàn)室里一個(gè)被稱作“瑪莎阿姨的棺材(Aunt Martha's coffin)”的小盒子中，光子攜帶著密鑰信號(hào)走過(guò)了30厘米的距離，證實(shí)了量子保密通信的可行性。1993年英國(guó)國(guó)防部又將這一紀(jì)錄提高到10公里。

但在實(shí)際操作中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)雖然已經(jīng)有了完備的密鑰分發(fā)協(xié)議，諸如如何得到單個(gè)光子源，如何減少光子信號(hào)在傳輸過(guò)程中的損耗等問(wèn)題卻始終限制著量子通信的實(shí)際應(yīng)用。

理論預(yù)計(jì)，光纖以及周?chē)h(huán)境對(duì)光子信號(hào)的干擾，將使量子信號(hào)的最大傳輸距離限制在100公里量級(jí)。而2007年，美國(guó)科學(xué)家已經(jīng)利用光纖實(shí)現(xiàn)了距離為148.7公里量子通信，直逼理論預(yù)計(jì)的極限。

通信信號(hào)衰減、被干擾等情況也同樣出現(xiàn)在傳統(tǒng)的通信過(guò)程中，但電子中繼器的發(fā)明，使通信信號(hào)能經(jīng)過(guò)一番“能量補(bǔ)給”或“整形”后繼續(xù)傳輸。

類(lèi)比于電子中繼器，奧地利科學(xué)家提出了“量子中繼器”的想法，希望通過(guò)量子存儲(chǔ)技術(shù)與量子糾纏交換實(shí)現(xiàn)信號(hào)補(bǔ)償。

2008年，我國(guó)科學(xué)家把這一想法變成了現(xiàn)實(shí)。在300米長(zhǎng)的光纖連接的冷原子系綜之間，潘建偉小組實(shí)現(xiàn)了原子系綜之間的量子糾纏，并將糾纏態(tài)讀出、傳遞給新的光子繼續(xù)傳輸。

也就是說(shuō)，光子經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途旅行“精疲力竭”后，只需進(jìn)入量子中繼器，就可將傳遞信息的任務(wù)交給其它光子。單個(gè)光子的傳輸距離縮短，再加上量子中繼器的糾纏信號(hào)純化功能，自然能使整個(gè)通信過(guò)程的質(zhì)量大大得到保障。難怪2008年8月28日出版的《自然》將這項(xiàng)工作稱贊為“掃除了量子通信中的一大絆腳石”。

為提高通信質(zhì)量，科學(xué)家們還在減少干擾源方面努力。2006年，歐洲科學(xué)家讓光子在自由空間而不是光纖中完成了一次量子通信過(guò)程。

通信在相距144公里的西班牙加納利群島的La Palma島和Tenerife島之間根據(jù)E91協(xié)議展開(kāi)，2007年又根據(jù)BB84協(xié)議將實(shí)驗(yàn)重復(fù)了一次。

科學(xué)家希望通過(guò)這種方式檢測(cè)通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行量子通信的可能性。因?yàn)榈厍虻母邔哟髿膺h(yuǎn)比地球表面大氣稀薄，粒子較少，因此量子信號(hào)在地面和衛(wèi)星之間傳輸時(shí)受到的干擾和衰減的機(jī)會(huì)也大大減少。不過(guò)，為了在實(shí)驗(yàn)中捕捉光子信號(hào)，科學(xué)家還動(dòng)用了歐洲太空署光學(xué)地面站的望遠(yuǎn)鏡。

可以料想，如果有朝一日真能通過(guò)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)量子通信，其成本自然是不菲。

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各方聲音：確定?不確定?

雖然傳輸效率、成本等問(wèn)題一直限制著量子通信的發(fā)展，我國(guó)科學(xué)家去年的兩項(xiàng)成果卻讓量子保密通信離大規(guī)模應(yīng)用更近一步。

中科院副院長(zhǎng)詹文龍?jiān)?ldquo;全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)”的鑒定會(huì)上表示，這一成果標(biāo)志著我國(guó)在城域量子網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)方面已經(jīng)達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化要求。

也有人指出量子密碼可能并非想象中的牢不可破。僅在2008年，就有瑞典林雪平大學(xué)學(xué)者拉森和挪威科技大學(xué)學(xué)者馬卡羅夫分別指出量子通信體系的漏洞。

雖然這些并不是量子密碼原理的不完滿，而是系統(tǒng)的不適應(yīng)，卻也讓人們對(duì)未來(lái)的量子通信體系留有一絲不確定。

而量子力學(xué)本身留給人們的不確定性更多。量子糾纏中超越光速的超距作用因違背光速不變?cè)矶寪?ài)因斯坦認(rèn)為難以置信，而量子糾纏的發(fā)生機(jī)理至今仍是未解之謎。路甬祥更是把量子力學(xué)與廣義相對(duì)論之間的不相容問(wèn)題列為當(dāng)代科學(xué)所面臨的四大難題之首。

種種不確定性并不能阻擋人們探索的腳步。美國(guó)、瑞士、法國(guó)等歐美國(guó)家已成立公司進(jìn)行量子通信的商業(yè)研發(fā)。

而去年落戶安徽的“量子政務(wù)網(wǎng)”正是出自專門(mén)從事量子密鑰研究的“問(wèn)天量子”公司。

在國(guó)家安全、金融等信息安全領(lǐng)域，量子保密通信技術(shù)也開(kāi)始發(fā)揮作用。2004年奧地利銀行作為世界上首個(gè)采用量子通信的銀行，利用該技術(shù)將一張重要支票從市長(zhǎng)處傳至銀行。2007年瑞士全國(guó)大選的選票結(jié)果傳送過(guò)程也采用了量子保密通信技術(shù)，以保證結(jié)果的絕對(duì)安全。

量子保密通信的核心技術(shù)如今更是成為各國(guó)的高度機(jī)密。從這種重視程度，自然能確定各國(guó)對(duì)量子保密通信寄予的厚望。

新聞回放

兩大量子通信網(wǎng)絡(luò)落戶安徽

從2009年5月開(kāi)始，安徽蕪湖的公務(wù)人員傳送保密公文時(shí)多了一種選擇——量子政務(wù)網(wǎng)。

去年5月18日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦研究組利用傳統(tǒng)光纖和量子通信技術(shù)研制的世界首個(gè)“量子政務(wù)網(wǎng)”在蕪湖建成并投入使用。

首期“量子政務(wù)網(wǎng)”將蕪湖市科技局、招商局等八個(gè)用戶包括在內(nèi)。除一個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)被用于檢測(cè)竊聽(tīng)外，其余7個(gè)用戶中的任意兩個(gè)都可實(shí)現(xiàn)保密的通信過(guò)程，而傳輸內(nèi)容包括文件、音頻、動(dòng)態(tài)圖像等多種信息。

也就是說(shuō)，日常工作中需要保密的文件傳遞、電話溝通以及視頻會(huì)議等過(guò)程均可通過(guò)“量子政務(wù)網(wǎng)”方便快捷地實(shí)現(xiàn)。

中科大在蕪湖建成世界上首個(gè)光量子保密政務(wù)網(wǎng)。圖為中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生陳巍介紹文件加密后的不同。來(lái)源：中廣網(wǎng)

3個(gè)月后，安徽省省長(zhǎng)王三運(yùn)也體驗(yàn)了一把量子通信網(wǎng)絡(luò)的便利。8月29日，“全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)”亮相合肥。由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉小組完成的這個(gè)量子通信網(wǎng)絡(luò)包含5個(gè)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)(用戶)的間距達(dá)到20公里，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可覆蓋一個(gè)中型城市，因此也被稱作世界上首個(gè)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，兩兩用戶間可同時(shí)進(jìn)行通信，互不影響，并實(shí)現(xiàn)了上級(jí)用戶對(duì)下級(jí)用戶的通信授權(quán)管理。在親身體驗(yàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)的視頻和通話功能后，王三運(yùn)連稱：“聲音很清晰!”

這兩大網(wǎng)絡(luò)在安徽建成，使人們離量子保密通信更近一步。量子政務(wù)網(wǎng)使用的核心器件和設(shè)備，全部為中國(guó)自主研發(fā)或與國(guó)內(nèi)單位聯(lián)合研制，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。而潘建偉小組建成的量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)際由該小組5月份研制的3節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展而來(lái)。

5節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的成功運(yùn)行標(biāo)志著我國(guó)量子通信系統(tǒng)組網(wǎng)、擴(kuò)展能力，以及大規(guī)?？蓴U(kuò)展網(wǎng)絡(luò)量子通信技術(shù)的成熟。

潘建偉表示，2010年他們還在合肥市及周邊地區(qū)啟動(dòng)建設(shè)一個(gè)40節(jié)點(diǎn)量子通信網(wǎng)絡(luò)示范工程，為量子通信的大規(guī)模應(yīng)用積累工程經(jīng)驗(yàn)。

2007年開(kāi)始，中國(guó)科大——清華大學(xué)聯(lián)合小組在北京八達(dá)嶺與河北懷來(lái)之間架設(shè)長(zhǎng)達(dá)16公里的自由空間量子信道，并取得了一系列關(guān)鍵技術(shù)突破，最終在2009年成功實(shí)現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳輸，證實(shí)了量子態(tài)隱形傳輸穿越大氣層的可行性。

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2月21日，新華社和中國(guó)科技大學(xué)合作建設(shè)的金融信息量子通信驗(yàn)證網(wǎng)開(kāi)通儀式在北京舉行。中共中央政治局委員、國(guó)務(wù)委員劉延?xùn)|出席儀式。這是劉延?xùn)|和新華社社長(zhǎng)李從軍(前右)、中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)白春禮(前左)觸摸啟動(dòng)球，開(kāi)通金融信息量子通信驗(yàn)證網(wǎng)。 新華社記者龐興雷攝

資料圖：圖為WT-1型量子路由器和WT-2型量子交換機(jī)