量子通信：安全“无懈可击”
2013年12月30日
作者：王静
来源：中国科学报
量子通信：安全“无懈可击”
■本报记者 王静
现代通信技术在给人们带来便利的同时，也在不断制造着安全、隐私等方面的麻烦。前者如今年的“双十一”、“双十二”网购盛宴，后者则类似仍在发酵的“棱镜门”事件——国外媒体12月21日报道，美国国家安全局曾与企业合谋，要求在移动终端广泛使用的加密技术中放置后门，以便轻易破解各种加密数据。
如今，通信技术的安全性问题不仅使每个国家如临大敌，也让公众产生隐忧。难道人类在信息时代的网络通信中，只能靠牺牲安全和“私人空间”来换取尽可能的便利？在科学家看来，事实并非如此悲观。
科学家们把希望寄托在日趋完善的量子通信技术上，认为它是一项可以做到绝对安全的技术。这项技术将提供一种可能：只要在现有网络上安装一个小装置，人们的通信安全将变得“无懈可击”。
这就是量子通信技术的神奇之处。
超时空穿越
量子通信属于隐形传输技术，它与人类历史上此前已有的通信技术存在着本质性的差异
从古代鸿雁传书，到近代电报、电汇的出现，再到现代电话、互联网盛行，量子通信与人类历史上此前已有的通信技术存在着本质性的差异：此前所有的通信方式均需要呈现清晰的明文，而量子通信则属于隐形传输技术。
量子隐形传输如同科幻小说中描绘的“超时空穿越”。量子在一个地方神秘消失，又在另一个地方瞬间出现。物理学家爱因斯坦、薛定谔等都曾为量子态的隐形传输现象而痴迷、争论。
中国科学院院士薛其坤曾在接受《中国科学报》记者采访时表示：“物质世界微观到一定尺度时，将不再是经典牛顿力学的世界，而是量子力学世界。在这个世界里，物质的性质不再确定，其变化规律也发生了改变。”
量子是指光子等不可再分的最小单元。量子隐形传输，即利用量子纠缠原理和技术，借助网络等信道，传输量子态携带的量子信息。1993年，美国科学家C.H.Bennett提出了量子通信的概念。同年，6位来自不同国家的科学家提出可实现量子隐形传输的方案。该方案用量子态作为信息载体，通过量子态的传送完成大容量信息的传输，由此原则上实现了不可破译的量子通信。
中科院院士郭光灿向《中国科学报》记者描述，如今只需要一个量子密钥，就能把所传递的信息内容完全无序化，也就是说，在现有光纤通信的线路上，仅需加装一个量子装置，就能实现光纤网络上所有传递信息的保密。“如果用量子技术在QQ上与朋友聊天，就能实现内容保密，无法被窃听。”
郭光灿进一步解释说，量子信息技术在建立密钥时，除初始身份认证外并不需要事先共享密码本，而是与需要通信的对方建立一个协议。通过协议，使用量子的性质传递信息。
量子通信装置将一个个光子通过光纤或者自由空间送达给对方，每一个光子随机加载0或1。光子传给对方后，经过探测和变化，还原为二进制随机数0或1。接收方将收到的随机数组成序列，经过协议处理后产生一个随机密钥。量子通信的量子特性保证了密钥收发的安全性。其实时收发、动态加载的特性还降低了对密钥存储和管理的要求，减少了密钥泄露的可能性。而试图获取信息的人必须拥有相同的密钥，才能对加密后的信息进行解读。
由“跟随者”到“排头兵”
量子通信技术目前仍处于实验室完善阶段，尚无应用进入公众视野
量子密码也被视为是向“绝对安全”的回归。目前，世界各国已纷纷将量子通信纳入其国防科技发展战略之中。
据了解，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室正在研究量子局域网的密码体系和自由空间量子密码；欧盟在1999年集中国际力量致力于量子通信的研究；日本邮政省把量子通信作为21世纪的战略项目。中国自然不甘落后，有多个实验室对此开展研究，并取得可喜进展。
然而，量子通信技术目前仍处于实验室完善阶段，虽然竞争日趋白热化，却仍无应用进入公众视野。
1997年，奥地利蔡林格小组首次在实验室完成了量子态隐形传输的原理性实验验证，2004年该小组利用多瑙河河底光纤信道，成功地将量子态隐形传输距离提高到600米。
2003年，韩国、中国、加拿大等国学者提出了诱骗态量子密码理论方案，彻底解决了真实系统和现有技术条件下量子通信的安全速率随距离增加而严重下降的问题。
值得自豪的是，在量子世界，中国科学家不仅从技术研究的跟随者快速进步为并行者，而且在量子信息发展的诸多节点成为国际上的排头兵。
2001年，一次契机促使郭光灿致信时任中国科学院院长路甬祥。
在信中，郭光灿向路甬祥详细介绍了这一前沿科技的广阔前景。不久后，郭光灿获得了中国科学院5万元经费支持，中国科技大学量子信息实验室得以成立。当年，郭光灿成功申请了国家“973”计划项目，并担纲首席科学家。
在郭光灿的领导下，实验室研究人员对量子保密通信技术进行了多方面的深入探究，并取得了一系列影响该领域发展的理论和应用成果。该实验室先后提出“量子避错编码原理”、“量子概率克隆原理”等理论，并研制成功国内首个光纤量子密钥系统，实现了260公里相位编码量子分发系统，建成了世界首个量子政务网络……
2012年9月，《自然》杂志报道：奥地利、加拿大、德国和挪威研究人员合作，将一个光子的物理特性通过量子态隐形传输发送到另一处的一个粒子，实现了位于拉帕尔马卡普坦望远镜与欧洲空间局特内里费岛光学观测站之间长达143公里的“隐形传输”。
促使这一新的世界纪录诞生的科学家们由此兴奋地宣称，他们将在地面观测站与地球轨道卫星之间建立一次量子态隐形传输的实验，以验证实现全球范围内量子通信的可能性。
瓜熟待蒂落
量子通信在中国起步虽稍晚，但却表现出了良好发展势头
从中科院量子信息重点实验室走出来的赵义博目前在安徽芜湖高新区创业，其公司从事的业务即与量子通信有关。
赵义博告诉《中国科学报》记者，2002年，该实验室在中国科学技术大学东西校区之间往返6.4公里的光纤上实现了国内首次光纤量子密钥分配，演示了量子密码的基本原理。当量子密码系统从实验室推广到实用场合时，实际环境破坏了系统的稳定性，使之无法正常运行。这个问题曾困扰着实验室研究人员，也困扰着国际学术界。
但没过多久，相关科研团队就发明了“法拉第—迈克尔逊”干涉仪结构，可以自适应补偿光纤信道中的偏振干扰，在国际上首次解决了长距离单向量子密钥分配过程的稳定性问题。
利用这一干涉仪结构，2004年，郭光灿团队实现了从北京望京经过河北香河到天津宝坻的量子密钥分配。其实际商用光缆长度125公里，成为当时国际公开报道的最长距离实用光纤量子密码系统。
“在光纤网络上实现量子保密通信的最大难点是，现有光纤路由器无法做到量子信息不被破坏又能自动实现光子的寻址。”赵义博回忆说。
2007年，赵义博所在实验室利用自主创新的量子路由器，在北京网通公司商用通信网络上完成四用户量子密码通信网络的测试运行。这个网络是世界第二个、中国第一个现场运行的量子保密通信网络。
业内专家认为，这一系统在商用光纤网络上可以长期稳定运行，性能优于现有的其他量子密码网络方案。在目前的技术条件下，能用它扩建成拥有数百个用户的量子密码通信网络。这标志着量子通信技术从点对点方式向网络化迈出了关键性的一步，为量子因特网的发展奠定了基础。
2009年，郭光灿带领的团队在安徽省芜湖市建成世界上第一个“量子政务网”并投入了试运行。该网络融合了国际上现有的三种主流组网技术，首次设计出具有多层次、旨在满足不同用户需求的多功能量子通信网络。
近年来，从诸多量子信息研究成果看，量子通信在中国起步虽稍晚，但却表现出了良好发展势头。或许无需多日，中国人就能享受到私人量子保密通信服务。
《中国科学报》 (2013-12-30 第1版 要闻)