[科普中国]-中国会成为量子通讯领域的主宰吗？

中国科学家已经成功建起两大量子通讯主体工程，不仅如此，中国人在这条路上从未止步。作者：Yuen Yiu来源：AIP InsideScience2017年9月29日，潘建伟教授启动水晶球，这一刻标志着第一条远程量子通讯线路正式上线运行，其全长1200英里，连接着首都北京和沿海大都会上海。这一天，对于量子物理学家和科技爱好者来说，都是一个值得庆祝的日子。然而，好戏还远不止这些。就在同一天的奥地利首都维也纳，潘教授的博士生导师安东·蔡林格接到他的同事从中国打来的视频通话。当然，这并不是简简单单的Skype聊天，而是第一条通过量子编码的视频通话会议。让这一切成为现实的，正是中国的量子通讯卫星——墨子号！这两项壮举受到了科学界的极大推崇，全球各大新闻媒体竞相报道。这事到底有多重要？如果想要明白它们的意义，你首先得了解：到底什么才是量子通讯？简单来说，量子通讯是一种新型的、绝密的沟通和交换数据的方式。今天，无论是政府部门、公司机构还是每个个人，网络安全和隐私保护日益受到大家的重视。而量子通讯将可能彻底改变其中的游戏规则。为了详细回答这个问题，我们先从一种神奇的量子现象——量子纠缠说起。量子通讯小白书对黑客免疫的量子通讯技术，听起来有点像科幻小说中的内容，但其核心的理论基础，实际上在很早以前就被人们发现。早在1982年，科学家威廉·沃特思、沃伊切赫·祖雷克和丹尼斯·迪克斯就首次提出了“不可克隆原理”，即：粒子，比如光子，所携带的量子信息是无法被完全复制的。也就是说，如果人们能以量子信息的形式来传输数据，黑客将不可能秘密地窃听到信息。简单而言，其原理是这样的：在量子通讯中，两端的用户直接、同时共用一对粒子对，形成所谓的量子纠缠态，这意味着它们的量子属性是相互联系的。而这些粒子对，通常就是光子，打个比方，就像一对对口味匹配的糖果。这种配对的产生是随机序的，一旦在发送者和接收者之间成功产生配对，就将编译出一条秘密的特殊相序（相当于一串随机密码）——柠檬口味，樱桃口味，葡萄口味等——而这将会加密后续的传输数据。由于唯一检测这些糖果味道的方法就是吃掉它们，任何被黑客窃取偷吃的糖果都将会从核心相序中被自动清除（相当于密码失效），进而黑客无法窃听。英国量子通讯和量子科技中心（英国多机构合作项目机构，目前正在执行中）的负责人，提姆·斯皮勒教授曾表示：人类很早就认识到量子通讯的可行性，但是只有中国，踏实地迈出了第一步，对这项使命作了大规模的基础项目投入。事实上，从2004年开始，小范围的量子通讯系统就已不断出现。现在，你可以轻松的从网上购买到量子加密盒。一些银行也在使用量子通讯技术来传递信息，只不过是短距离的，这主要受限于技术壁垒。现在，中国科学家们攻克了这些技术限制，使得量子通讯的范围变得非常广阔。防御黑客的电讯战役新建成的京沪量子通讯线路连接起北京、天津、合肥和上海，总距离长达1200英里。一些主要的商业银行正在逐步使用这条量子通讯线路来传输隐秘的数据。然而，虽然说新建成的京沪量子通讯线路技术上是量子化的，但它并没有达到百分百安全。光子，或者说光波，在光纤中只能传播不超过100 公里的距离，否则光波会因过度衰减而无法准确传递信息。所以，信号需要被中转，实现这种中继功能的部件我们称之为结点，它先破译量子信息，然后重新编译，再继续传递出去。这一过程会使得结点很容易受到黑客的攻击。京沪量子通讯线路上就有32个这样的结点。中国科学技术大学上海研究院的陈宇翱教授表示，使用结点技术，相比于传统光纤光学技术来说，在安全方面已经取得了很大的进步。陈教授继续补充到：“在京沪量子通讯线路建立之前，原则上，黑客是可以窃听整条光纤线路的任意部位。现在，可受攻击的点被大大缩小到只有32个。”陈教授所在研究小组主要负责中国大规模量子通讯工程，而他的领导则是大名鼎鼎的潘建伟教授，在中国，被誉为“量子通讯之父”。要想让量子通讯系统做到百分之百安全，这些结点本身也必须能够免疫黑客攻击。科学家们就此正在研究新的解决方案：量子中继器。量子中继器和传统普通中继结点所承担的功能相同，只不过工作原理和方式变了。使用量子中继器的网络，看起来更像家谱树，而不再是简单的线性链条。在形同家谱树的电讯网络中，量子中继器扮演着父母的角色，在两个孩子之间分配相同的量子密钥对，这样就等于加倍了两个用户之间的可通讯距离。然后，这些“父母”还有自己的“父母”，他们同样可以分配密钥而加倍后代的通讯距离。这样，随着家谱树每增加一层“父母”长辈，最底层的孩子之间的通讯距离就相应可以扩大一倍。这个过程实际上已经大大延长了量子信息的传输距离，但是整个过程并没有涉及到破译编码。尽管从原理上看起来，量子中继器设计很简单，但实际上，每增加一层“父母”层，都会产生一系列新的技术难题，比如数据中的额外噪音。最近，陈宇翱教授和他的研究团队，在物理学评论快报（PRL）上发表了关于如何建立包含“祖父层”（即三层）的量子通讯家谱树的实验结果，这一结果将理论上完全免疫黑客攻击的量子通讯距离扩大到原来的四倍。不过，对于超过数千英里的国际距离来说，家谱树可能需要建立到曾曾曾曾曾祖父的程度才能满足需求。或者你可以选择去太空。太空中的量子通讯首颗量子通讯卫星，英文名“Micius”，于2016年成功发射升空。这颗卫星是以中国古代著名的科学家、哲学家，墨子，来命名的。墨子生活在公元前400年左右，是第一个以书面形式记录针孔相机工作原理（小孔成像）的人，其中还包括了对“光的直线传播原理”的描述。两千多年后的今天，以他的名字命名的这颗卫星，让远在4600英里之外的北京和维也纳的科学家们能够进行世界上首例基于量子编译技术的视频会议。墨子号以每小时18000英里的速度划过夜空，它将一对纠缠的光子对拆开，一半发送给北京长城脚下的兴隆天文台，不到一个小时之后，墨子号穿过奥地利的上空，将另一半的纠缠态光子发送到坐落于格拉茨城外的阿尔卑斯山坡上的Lustbühel天文台。这一过程就完成了整个量子密钥的分配。兴隆天文台和墨子号量子卫星间通信示意图（延时）：地面天文台通过810nm红色激光跟踪墨子号卫星，墨子号使用532nm绿色激光和地面联系，该图中的绿色虚线显示了卫星划过天空的路径。供图：Ying-Wei Chen“这些工程项目和科学实验研究的成功，让中国在量子通讯领域国际领先。这正展示了科学发现可以带动科技发展，同时发展了的科技又会再次促进科学发现，两者相辅相成，相互促进。”这是印娟博士在写给“Inside Science”刊物的邮件中提到的。印娟博士也是潘建伟教授研究团队中的一员，她来自于中国科学技术大学，是近期在PRL上发表的关于这一里程碑式的视频通话背后的科学发现的文章作者之一。据印娟博士所说，尽管新的里程碑层出不穷，量子通讯科技领域还是有很大的发展潜力。由于量子通讯卫星需要视野来传输数据，这样，卫星能覆盖的通讯区域就是很有限的，它必须直接飞过目标用户的上空。当然，卫星选择更高的轨道，可以扩大其覆盖的范围，但是这么做就需要地面观测站以及卫星本身有更高水准的定位跟踪精度。据一位来自多伦多大学的量子信息科学家Hoi-Kwong Lo教授说：对于这一难题，一种解决的办法就是通过发送更多的卫星，进而建立全球的卫星通讯网络。然而，如果不同的组织机构或政府都在该网络中发射卫星，那么参与者就不得不关心起网络通讯协议或者他们彼此的可信赖程度。同时，带宽也存在着限制。以目前的水平，卫星需要发射600万个光子，地面接收站才能接收到其中的一个。而且，在白天使用这套系统简直是妄想，强烈的太阳光线会将本来就微乎其微的卫星信号完全湮没。这就有点像在阳光炫目的午后，在巨大的足球场上寻找一只小小的萤火虫。另外，带宽同时还取决于卫星能够产生和存储的纠缠态光子的数量。目前，墨子号的极限速度是每秒几千字节。这一速度足够满足两个科研团对之间传递一些量子密钥，但是当面对全球数以百万计的网民，如果他们同时传递私密敏感的信息时，这速度就显得远远不够了。相比于墨子号，京沪量子通讯线路的传输速度会稍微快一些，但是并没有量级上的区别。正如Hoi-Kwong Lo教授所说：“这正如同互联网，一旦跨过点对点的设置，去建立网络系统，就会有很多的实际困难出现，需要我们去思考攻克。”雨后春笋在中国，有一句谚语叫“雨后春笋”。潘建伟教授在今年年初上海举办的科学研讨会上，便引用了这句谚语，来描绘当前量子通讯领域的发展势头。他预言，量子通讯就宛如被雨水充分滋润的春笋一样，会迅猛发展。然而，手机或者便携式笔记本电脑在很长一段时间内还没法使用该技术。正如英国量子科技中心的提姆·斯皮勒教授所说：“目前这些设备体积都非常庞大，而且价格昂贵，个人是不可能去购买的。如果是电信通讯供应商，倒是还有购买的可能。”提姆·斯皮勒教授继续补充到：“未来，我们可能会把这些设备都集成在一块小小的芯片上，然后安装到每一台电脑上。想做到这些，就必须要有重大的科技进步，很艰难，但决不是天方夜谭。”由于量子通讯技术的实用价值越来越显著，各个国家之间的竞争也随之趋于白热化。目前，潘建伟教授的科研组是被世界大多数国家公认为的量子通讯领域的领头羊。当然，取得如此辉煌的成绩离不开中国政府的大力扶持。中国政府还将增加100亿美元的投入，打造全新的量子信息科学研究中心。国家量子信息科学实验室将坐落于安徽合肥，目前正在建设中，有望于2020年建成。目前，来自欧洲、美国、加拿大、日本以及新加坡的科学家们都计划在太空中展开他们的量子通讯实验，希望在这没有硝烟的战场上占得先机。美国国家标准与技术研究所的负责人沃尔特·科潘教授在工业和科学各界代表大会上发言称，量子科学和量子工程将成为未来工作的重中之重。据隶属美国物理学会的联邦科技政策新闻和资讯中心（FYI）报道总结称，沃尔特·科潘教授还说到：“我们无法欺骗自己，目前基于量子通讯的系统和设备还无法真正使用，还有很长的探索之路要走。但是显而易见的是，这将是一场全球范围的竞赛，中国和欧盟也正在大规模投资这一领域。https://www.insidescience.org/news/china-leader-quantum-communications美国物理联合会（AIP/American Institute of Physics）--InsideScience专栏为《超级科学》独家供稿，2018年1月19日翻译：谷大春校对：高佩雯文章由“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自“科普中国”