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量子通信 無懼“竊聽風云”

 《小康》 ● 中國小康網   2022-04-20 17:06:32

  新華日報記者 葉 真

  從量子通信到量子計算、量子成像、量子力學……量子技術已經成為一個新興的、快速發展的技術領域。近日,“量子通信”再度刷屏!我國科學家設計出一種相位量子態與時間戳量子態混合編碼的量子直接通信新系統,成功實現了100公里的量子直接通信,這也是目前世界最長的量子直接通信距離。

  什么是量子通信?量子通信可能給我們的生活帶來哪些改變?記者為此采訪了南京郵電大學電子與光學工程學院、柔性電子(未來技術)學院盛宇波教授。

  量子態載體編碼 讓竊聽者無計可施

  量子是現代物理學中的一個重要概念?!傲孔油ㄐ鸥鶕蝿盏牟煌?,有著多種模式。比如量子密鑰分發、量子安全直接通信(簡稱量子直接通信)、量子秘密共享。這三種模式是以保護信息、信號安全為目的的,所以又稱量子保密通信?!笔⒂畈ń榻B。

  其中,量子密鑰分發是最早的量子通信技術,早在20世紀80年代就已被提出,指利用量子力學的基本原理,通信雙方協商隨機密碼,之后利用共享的密碼加密成密文后,通信雙方使用傳統意義上的通信,就可以實現安全的信息傳遞。

  “量子直接通信則是以量子態作為載體直接編碼和傳輸信息,改變了傳統保密通信的雙信道結構;將噪聲信道下的可靠通信發展為噪聲和竊聽信道下的可靠和安全通信;不僅能夠感知竊聽,還能夠阻止竊聽。該理論是2000年由清華大學龍桂魯教授團隊提出的?!笔⒂畈ǜ嬖V記者。

  量子直接通信如何感知并阻止竊聽呢?盛宇波解釋,量子態與常規物理量不同,不能被復制,每被測量就可能變化,導致測量結果不盡相同。若有人竊聽,就會造成誤碼率顯著上升,從而被發現?!翱梢赃@樣理解,如果想傳遞一句話時,我們可以把這句話中的每一個字放入一個盒子里。當信息接收者按順序收到這一個個盒子之后,分別打開盒子,就可以獲知完整的一句話。但是,就目前我們已知的通信手段,如果有竊聽者想獲取信息時,可以通過取出盒子看一眼盒子內的字再放回去而做到‘神不知鬼不覺’,甚至可以制造一個同樣的盒子來替換信息。這時,信息的接收方不會知道信息已被竊取甚至被替換。而當使用量子直接通信時,這個承載信息的盒子有特殊性質,竊聽者無法復制這些量子盒子,而且只要有人去偷看,就會改變形態,破壞量子盒子,這樣竊聽者既得不到信息,也會被發現?!?/p>

  正因為如此,量子通信被看作目前為止最為安全的信息傳輸手段之一,其廣闊的發展前景也被業界專家看好。2021年,由50位國際通信專家聯名撰寫的《6G研究白皮書》中指出:“量子安全直接通信是高安全性量子通信協議,在下一代安全通信方面將展現巨大的潛力?!?/p>

  “此次我國科研團隊創造的世界量子直接通信最遠紀錄,將有助于實現無中繼條件下部分城際間的量子直接通信?!痹谑⒂畈磥?,“這是一個里程碑式的工作,也是量子直接通信邁向實用化的關鍵一步?!?/p>

  量子直接通信 何時走進百姓生活

  信息安全事關國計民生的重大戰略領域,日益成為世界各國安全戰略關注的重點。目前,我國在量子通信研究的水平整體上國際領先,國內多所高校和科研院所都在量子通信領域做出了突出的科研成果。

  2016年,山西大學和清華大學團隊合作,完成基于單光子的量子直接通信原理演示。2017年,世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”在國際上首次實現千公里星地雙向量子糾纏分發、星地高速量子密鑰分發、地星量子隱形傳態,“天宮二號”成功實現了基于小型化終端的星地量子密鑰分發。同年,中國科技大學、南京郵電大學和清華大學的團隊,完成了基于糾纏的量子直接通信演示實驗。2020年,北京量子科學研究院和清華大學聯合團隊發布了世界首款實用化量子直接通信樣機,實現了18公里量子直接通信。2021年,盛宇波教授課題組與中科大郭光燦院士團隊合作,在量子通信的噪聲處理方面提出了高效遠距離的量子糾纏純化,對用于量子通信的受噪聲的量子糾纏可以高效提純,純化效率比此前國際最高水平提升了6000多倍……

  量子通信的發展目標是構建全球范圍的廣域量子通信網絡體系。那么,普通人何時可以通過量子直接通信傳遞信息呢?

  盛宇波表示,量子通信從實驗室中走向真實應用,仍需在技術和工程方面的進一步發展,將是一個相當長的過程。就目前而言,量子通信的通信速率并不高,甚至遠達不到目前已相對成熟的5G通信速率?!安贿^我相信,當未來科學技術發展到更高水平時,或許量子通信可以與6G網絡甚至更新一代的網絡相結合,人們可以實現既快速又安全的信息傳輸,最終實現星際量子通信。但是有一點要說明,量子通信不是超光速通信,任何通信速度都不可能超光速?!?/p>

  值得期待的是,數字經濟時代,包括量子通信在內的量子信息技術的實用化日漸被重視。我省已前瞻布局量子信息產業。在《江蘇省“十四五”數字經濟發展規劃》中指出,“十四五”期間,江蘇將繼續加快關鍵核心數字技術攻關,超前部署包括量子科技在內的前沿技術研發,加強量子通信等前沿領域的數字人才隊伍建設。不遠的將來,長三角量子科技產業創新中心將落戶蘇州。

作者:葉 真
責任編輯:風華
來源:新華日報
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