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中国将在五年内建成世界首个广域量子通信网络
2013-10-21 14:00 中国日报  审核人:

    美国科幻大片星际迷航中令人目眩的科技不胜枚举,而其中最令人心驰神往的要算是超时空传输了:克里克舰长的身体在出发点分解,然后在目的地进行物质重组。

    量子科学的发展告诉我们,这样的超时空传输是可能的。尽管传输一个活人的技术可能仍需时日,不过我们确实又向前迈进了一步:中国科学家计划在五年内建成世界首个广域量子通信网络。

    “目前我们只差最后一步了,就是利用卫星将城域量子通信网连接起来,”中国科学院院士、中国科学技术大学潘建伟教授在接受中国日报专访时告诉记者。

    量子论作为现代物理学的基石之一,是德国物理学家普朗克在1900年开创的。量子通信是近二十年发展起来的新型交叉学科,是量子论和信息论相结合的新的研究领域。和传统的通讯手段相比,量子通信最为显著的优点就是它具有无条件的安全性。

    2012年,由中国科学技术大学和安徽量子通信技术有限公司与合肥市合作的城域量子通信实验示范网建成并进入试运行阶段。此项目成功搭建了46个节点的城域量子通信网络,覆盖合肥市主城区,用户涵盖政府部门、金融机构等,能够提供量子安全下的实时语音通信、实时文本通信及文件传输等功能。合肥市因此成为全球首个拥有规模化量子通信网络的城市。

    “在量子通信网络上,象斯诺登棱镜门中所说的那种对私人电话、互联网信息、和邮件的监控将不再可能,”潘建伟说。斯诺登是前美国中央情报局雇员,亦担任美国国家安全局的美籍技术承包人。今年6月,他将美国国家安全局关于PRISM监听项目的秘密文档披露给了《卫报》和《华盛顿邮报》,随即遭美国政府通缉。

    据国际在线报道,斯诺登在离开香港前曾称,美国政府入侵中国的电信企业及清华大学网络,监控手机短信及其他信息。对此,中国外交部回应说,中方对有关情况表示严重关切,已向美方提出交涉。“我们对最近所披露的美政府有关机构对中国进行网络攻击等情况表示严重关切,这再次证明中国是网络攻击的受害者。我们已就此向美方提出交涉。”

    那么,为什么量子通信网络上存在无条件的安全性呢?这就要从光量子的特性来解释了。在微观领域中,某些物理量不可连续分割,量子论中将物质分割的最小的单位叫做量子。

    在现在应用的计算机网络中,信息是以二进制编码的形式进行传输的,所使用的加密方法通常是用一定的数学计算操作来改变原始信息。这种改变信息的方法是密钥,掌握密钥就可以将消息复原回来。然而,再复杂的数学密钥也可以找到规律。因此黑客可以通过破译数学秘钥来复原计算机网络中传输的信息,并对其进行复制。

    而量子通信网络上的信息传递利用的是量子秘钥。根据量子测不准原理,一旦量子被测量(也就是干涉),就会发生改变。这种一“碰”就坏的性质,使得黑客对量子秘钥无从下手。因此量子通信网络上的信息是无法复制的。

    此外,由于任何对量子进行截获或测量的操作,都会改变量子的状态,当信息被窃取时,就很容易被发现。这样,截获者得到的只是无意义的信息,而信息的合法接收者也可以从量子态的改变,知道密钥曾被截取过。

    “有了量子秘钥,就像是把信息锁在一个保险箱里。黑客如果要想看到信息,就必须把保险箱砸坏。但如果他们砸坏了保险箱,就很容易被人发现他们盗取了信息。相比之下,传统的秘钥就像是把信息放在玻璃盒子里,人人透过玻璃都能看到这些信息,还可以给它们拍个照片(复制),而因为玻璃盒子没有损坏,所以也不容易发现信息泄露,”潘建伟说。

    目前潘建伟的团队已经启动了量子通信京沪干线的建设。这个城际量子通信网络总长2000余公里,连接北京和上海两地,建成后将用于确保京沪两地金融信息的安全传输。

    然而,潘建伟并不满足于量子通信在城域网和城际网的应用,他们的目标是全球化量子网络:将量子信息传输到卫星上,然后通过卫星传回到地面的指定地点,这样,就可以通过卫星将城域网和城际网联系起来。

    为了这个目标,潘建伟已经做了多年的准备。2005年,潘建伟小组首次实现了距离大于垂直大气层等效厚度的自由空间量子纠缠分发,当时的传输距离是13公里。此后,他们对自由空间量子实验关键技术进行了大量研究,并于2012年实现了世界上首次百公里量级的自由空间量子隐形传输,为发射全球首颗量子通信卫星奠定技术基础。

    今年5月,潘建伟团队在国际上又首次成功实现星地量子密钥分发的全方位地面验证,为未来实现基于星地量子通信的全球化量子网络奠定了坚实的技术基础。

    而2016年,中国将早于欧洲和美国发射量子科学实验卫星,使中国成为第一个具有量子通信能力的太空开发国家。“有了这颗量子科学实验卫星,我们就能从科学上证实洲级量子通信网络的可行性了。换句话说,我是否能从北京拨通一个量子电话给我在维也纳的朋友,”潘建伟说。

    2012年年底,英国《自然》杂志在一篇对潘建伟团队的报道中如是写道:“如果第一个‘量子互联网’将连接成功,这个网络将是运用亚原子尺度物理规律创建的一个超级安全的全球通信网络。这也标志着中国在量子领域的崛起,从十年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅。”

    尽管量子互联网已经不是一个梦想,这种网络从科学实验发展到大规模的应用仍需时日。不过,对于潘建伟来说,能看到中国在量子通信的应用上“走在世界的前面”,他已经感到很高兴了。

    “在量子通信这一块,国际竞争很激烈。中国、德国、美国,都有自己的强项。但是我们2016年将要首先发射量子科学实验卫星,这就已经是领先一步了,”潘建伟说。

    “对于象量子通信这种重大的、前沿的技术,我们要想参与国际的竞争,就需要提前布局,预先做出长远的、大的计划。”(中国日报 记者 程盈琪)

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