E91量子通信協(xié)議示意圖

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

近日，國家互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急中心相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，我國已成為網(wǎng)絡(luò)攻擊最大的受害國。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)相繼在我國建成。這兩個可投入實(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個過程：發(fā)送者將需要發(fā)送的內(nèi)容通過某種加密規(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密文進(jìn)行解密，得到傳輸內(nèi)容。

在整個通信過程中，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)算來保證。

量子保密通信的過程與此類似，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)律來保證，竊聽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，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者無處藏身。因?yàn)槿魏胃`聽行為都會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信息發(fā)送者愛麗絲和一個接收者鮑勃。不同的是，愛麗絲用光子的不同偏振態(tài)來傳輸密鑰的鍵值。愛麗絲按照直線(上下或左右)或者對角線(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)選擇測量方式。當(dāng)他的測量方式與愛麗絲的相同時，就能得到正確的密鑰值，如果測量方式錯誤，光子就有一半概率給出錯誤的密鑰值。

最后，愛麗絲可以通過公開渠道告訴鮑勃正確的測量方式，從而篩選出正確的鍵值構(gòu)成密鑰。

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

因此，竊聽者要復(fù)制一個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)行測量，然后按照測量到的信息發(fā)送一個相同的粒子。

與鮑勃一樣，竊聽者伊娃這時只能隨機(jī)選擇測量方式。而按錯誤測量方式得到的信息必然會誤導(dǎo)她發(fā)出錯誤的光子信號。當(dāng)愛麗絲與鮑勃對照密鑰時，這些蛛絲馬跡就會“供出”竊聽者的存在。

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安全性，從而保證了通信的絕對安全。

伊娃用錯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光子，因此每竊聽一個光子，竊聽者有25%的可能被發(fā)現(xiàn)。這似乎是一次成功的竊聽。但往往密鑰并非只由一個光子信息組成，當(dāng)密鑰長度增長至72個光子時，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)這種被愛因斯坦稱作“幽靈般超距作用”的量子行為，兩個粒子經(jīng)過相互作用后似乎就具有了某種“心電感應(yīng)”：無論距離多遠(yuǎn)，只要一個粒子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個粒子也會改變狀態(tài)。這種“心電感應(yīng)”幾乎是在瞬間發(fā)生，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過光速。

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

而要檢測是否有竊聽者，愛麗絲和鮑勃只要挑選出他們使用了不同測量方式的粒子，檢測它們是否仍然是糾纏粒子對就可以了。如果兩個粒子不再具有“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)議叩開量子保密通信的大門，至今1/4個世紀(jì)的時間已經(jīng)過去。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的腳步?

1989年，華生實(shí)驗(yàn)室里一個被稱作“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走過了30厘米的距離，證實(shí)了量子保密通信的可行性。1993年英國國防部又將這一紀(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，諸如如何得到單個光子源，如何減少光子信號在傳輸過程中的損耗等問題卻始終限制著量子通信的實(shí)際應(yīng)用。

理論預(yù)計(jì)，光纖以及周圍環(huán)境對光子信號的干擾，將使量子信號的最大傳輸距離限制在100公里量級。而2007年，美國科學(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。

通信信號衰減、被干擾等情況也同樣出現(xiàn)在傳統(tǒng)的通信過程中，但電子中繼器的發(fā)明，使通信信號能經(jīng)過一番“能量補(bǔ)給”或“整形”后繼續(xù)傳輸。

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

2008年，我國科學(xué)家把這一想法變成了現(xiàn)實(shí)。在300米長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，光子經(jīng)過長途旅行“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。單個光子的傳輸距離縮短，再加上量子中繼器的糾纏信號純化功能，自然能使整個通信過程的質(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，2007年又根據(jù)BB84協(xié)議將實(shí)驗(yàn)重復(fù)了一次。

科學(xué)家希望通過這種方式檢測通過衛(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，因此量子信號在地面和衛(wèi)星之間傳輸時受到的干擾和衰減的機(jī)會也大大減少。不過，為了在實(shí)驗(yàn)中捕捉光子信號，科學(xué)家還動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、成本等問題一直限制著量子通信的發(fā)展，我國科學(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。

中科院副院長詹文龍?jiān)?ldquo;全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)”的鑒定會上表示，這一成果標(biāo)志著我國在城域量子網(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)，卻也讓人們對未來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原理而讓愛因斯坦認(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)與廣義相對論之間的不相容問題列為當(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、瑞士、法國等歐美國家已成立公司進(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)”正是出自專門從事量子密鑰研究的“問天量子”公司。

在國家安全、金融等信息安全領(lǐng)域，量子保密通信技術(shù)也開始發(fā)揮作用。2004年奧地利銀行作為世界上首個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處傳至銀行。2007年瑞士全國大選的選票結(jié)果傳送過程也采用了量子保密通信技術(shù)，以保證結(jié)果的絕對安全。

量子保密通信的核心技術(shù)如今更是成為各國的高度機(jī)密。從這種重視程度，自然能確定各國對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月開始，安徽蕪湖的公務(wù)人員傳送保密公文時多了一種選擇——量子政務(wù)網(wǎng)。

去年5月18日，中國科學(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“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、招商局等八個用戶包括在內(nèi)。除一個用戶節(jié)點(diǎn)被用于檢測竊聽外，其余7個用戶中的任意兩個都可實(shí)現(xiàn)保密的通信過程，而傳輸內(nèi)容包括文件、音頻、動態(tài)圖像等多種信息。

也就是說，日常工作中需要保密的文件傳遞、電話溝通以及視頻會議等過程均可通過“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。來源：中廣網(wǎng)

3個月后，安徽省省長王三運(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。由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉小組完成的這個量子通信網(wǎng)絡(luò)包含5個節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)(用戶)的間距達(dá)到20公里，整個網(wǎng)絡(luò)可覆蓋一個中型城市，因此也被稱作世界上首個城域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

通過網(wǎng)絡(luò)，兩兩用戶間可同時進(jìn)行通信，互不影響，并實(shí)現(xiàn)了上級用戶對下級用戶的通信授權(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，全部為中國自主研發(fā)或與國內(nèi)單位聯(lián)合研制，整個網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國產(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。

5節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的成功運(yùn)行標(biāo)志著我國量子通信系統(tǒng)組網(wǎng)、擴(kuò)展能力，以及大規(guī)模可擴(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)啟動建設(shè)一個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年開始，中國科大——清華大學(xué)聯(lián)合小組在北京八達(dá)嶺與河北懷來之間架設(shè)長達(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)開通儀式在北京舉行。中共中央政治局委員、國務(wù)委員劉延?xùn)|出席儀式。這是劉延?xùn)|和新華社社長李從軍(前右)、中國科學(xué)院院長白春禮(前左)觸摸啟動球，開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)