跨越4600公里，中國(guó)量子通信全球領(lǐng)先，歐美多久才能追上？

跨越4600公里，中國(guó)量子通信全球領(lǐng)先，歐美多久才能追上？ | 袁嵐峰

原創(chuàng) 袁嵐峰 風(fēng)云之聲 2021-01-31 23:05

關(guān)注風(fēng)云之聲提升思維層次導(dǎo)讀跟歐美的計(jì)劃相比，就能看出中國(guó)的領(lǐng)先程度。中國(guó)領(lǐng)先歐盟3至5年，領(lǐng)先美國(guó)5至8年。

精彩呈現(xiàn)：

最近許多媒體報(bào)道，2021年1月7日凌晨，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布建成“跨越4600公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)”。

中科大凌晨宣布：我國(guó)構(gòu)建全球首個(gè)星地量子通信網(wǎng)（https://c.m.163.com/news/a/FVNP5ELC04079BLH.html）

大多數(shù)人看到這新聞，第一反應(yīng)可能是：為什么要凌晨宣布？什么事這么緊急？第二反應(yīng)可能是：這么長(zhǎng)一串高大上的詞連在一起，究竟是什么意思？

實(shí)際上，這完全不是個(gè)緊急事件。所謂凌晨宣布，只是因?yàn)檎撐?月7日凌晨在國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》上發(fā)布而已。

科大主頁(yè)的報(bào)道：中國(guó)科大成功驗(yàn)證構(gòu)建天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)的可行性（http://news.ustc.edu.cn/info/1055/73813.htm）

《自然》是英國(guó)的期刊，跟中國(guó)有時(shí)差，所以會(huì)凌晨上線。

《Nature》論文《跨越4600公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)》

（https://www.nature.com/articles/s41586-020-03093-8）

真正有意思的，是這篇論文。我解讀過(guò)不少科學(xué)論文，絕大多數(shù)都是最新的研究成果，需要搶時(shí)間發(fā)布。但這篇并不是，它是一個(gè)過(guò)去幾年工作的總結(jié)。一個(gè)不需要搶時(shí)間的成果，被媒體宣傳得好像十萬(wàn)火急似的，真是非常具有娛樂(lè)性。

言歸正傳。在科學(xué)和工程上，這項(xiàng)成果十分重要，它相當(dāng)于一錘定音：廣域量子保密通信技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的條件已初步成熟，為未來(lái)覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。在這個(gè)領(lǐng)域，中國(guó)遙遙領(lǐng)先其他國(guó)家。

大多數(shù)人可能不了解什么是量子保密通信，我來(lái)簡(jiǎn)略地介紹一下。

從古至今，人們提出了許多密碼體系。但沒(méi)有一個(gè)在原理上能保證安全的，直到量子保密通信的出現(xiàn)。

這是因?yàn)?，傳統(tǒng)的密碼總是需要信使去送密碼本?！都t燈記》、《潛伏》等諜戰(zhàn)片里的情報(bào)員就是干這個(gè)的，密碼本的專業(yè)稱呼叫做密鑰。信使如果被抓，或者叛變，損失就非常巨大。

《紅燈記》

后來(lái)，密碼學(xué)家們發(fā)明了一種聰明的辦法，不需要人去送密鑰，而是用數(shù)學(xué)難題去加密。竊密變成了一種數(shù)學(xué)挑戰(zhàn)賽，如果你能解出這道數(shù)學(xué)難題，你就可以竊密。但是密碼學(xué)家相信這道題非常難，你在正常的時(shí)間里解不出來(lái)，所以可以保密。

公鑰密碼體制（如RSA）以數(shù)學(xué)難題（如因數(shù)分解）作為保密的基礎(chǔ)

然而，這種方法的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的。你怎么知道敵人破解不了呢？如果他破解了，難道他會(huì)告訴你嗎？

事實(shí)上，歷史上有很多被認(rèn)為不可破解的密碼都被破解了。一個(gè)經(jīng)典的例子，就是二戰(zhàn)時(shí)盟軍破解德國(guó)的密碼體系“奇謎”（Enigma）的故事。

閃電戰(zhàn)創(chuàng)始人古德里安在指揮車上，左下方是Enigma密碼機(jī)

計(jì)算機(jī)科學(xué)之父、著名數(shù)學(xué)家阿蘭·圖靈（Alan Mathison Turing，1912 -1954）就參與了這項(xiàng)工作，發(fā)揮了重要作用。英國(guó)政府估計(jì)，破解奇謎把二戰(zhàn)的結(jié)束提前了兩年。為了把德國(guó)人蒙在鼓里，盟軍有時(shí)甚至?xí)室庾屢恍┎筷?duì)去送死。所以直到戰(zhàn)敗，德國(guó)都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)自己的密碼被破解了。

阿蘭·圖靈

因此，以前的密碼總是處于這樣的兩難境地，或者可能信使被抓住，或者可能數(shù)學(xué)被破解。而量子保密通信就是獨(dú)辟蹊徑，提出了一種既不需要信使、也不依賴于數(shù)學(xué)難題的保密方法。

由于篇幅限制，在這里我不能介紹量子保密通信的具體過(guò)程。我只能告訴大家，這是一套技術(shù)含量非常高的做法，你要理解它就必須懂得量子力學(xué)。

有些人希望用某種腦筋急轉(zhuǎn)彎的方式描述它，發(fā)明了種種簡(jiǎn)單的說(shuō)法。我只能說(shuō)，這些說(shuō)法都是錯(cuò)的，這絕不是腦筋急轉(zhuǎn)彎能描述的。要理解量子保密通信具體是怎么做的，你必須去看專業(yè)的教科書，或者看我的文章也能理解個(gè)八九不離十（你完全可以理解量子信息（14）| 袁嵐峰）。

量子保密通信的專業(yè)名稱：量子密鑰分發(fā)

然而，我可以告訴大家量子保密通信的原理與效果。

首先，有一個(gè)基礎(chǔ)的物理學(xué)理論叫做量子力學(xué)（讓中央集體學(xué)習(xí)的量子科技究竟是啥？這個(gè)科普我已經(jīng)做了五年（一）量子是什么 | 袁嵐峰）。它是當(dāng)今物理學(xué)的兩大支柱之一，另一個(gè)是相對(duì)論。量子力學(xué)是對(duì)微觀世界的本質(zhì)描述。

然后，量子力學(xué)中有一些特征能夠被信息科學(xué)利用。主要有三點(diǎn)：疊加、測(cè)量與糾纏。我把它們稱為“三大奧義” （讓中央集體學(xué)習(xí)的量子科技究竟是啥？這個(gè)科普我已經(jīng)做了五年（二）量子力學(xué)三大奧義 | 袁嵐峰）。

量子保密通信的做法，就是利用這些量子力學(xué)的特征，讓信息的發(fā)送方和接收方直接建立聯(lián)系。雙方通過(guò)一系列量子力學(xué)的操作（在實(shí)踐中是發(fā)射和接收一系列的單個(gè)光子，以及隨機(jī)選擇“基組”等專業(yè)的內(nèi)容），同時(shí)獲得了一段隨機(jī)字符串，就像011011100011這樣。

最重要的是，雙方手里的隨機(jī)字符串是完全相同的，這是由量子力學(xué)原理保證的。而且敵人無(wú)法竊密，一旦有人在竊聽(tīng)，通信雙方立刻就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這也是由量子力學(xué)原理保證的。

這樣，雙方就可以把自己手里的隨機(jī)字符串作為密鑰。用這個(gè)密鑰把信息加密，后面的傳輸就完全是傳統(tǒng)的通信了。例如可以用光纖，可以用電話，可以用電子郵件，甚至用平信都行。

這是因?yàn)?，安全地獲得密鑰之后，密文就可以保證不被數(shù)學(xué)破解了。所以，量子保密通信的技術(shù)難度都在密鑰的產(chǎn)生上面，這一步需要量子的信道。而后面的密文傳輸是很簡(jiǎn)單的，這一步任何傳統(tǒng)的信道都可以。

你可能想問(wèn)：為什么不直接用量子信道傳輸信息呢？回答是，這套量子力學(xué)的操作只能產(chǎn)生隨機(jī)字符串，不能按你的意愿表示信息。但隨機(jī)字符串作為密鑰就正合適，所以這不能作為直接傳輸信息的方法，卻成了最安全的加密信息的方法。

量子保密通信的原理，是1984年由加拿大和美國(guó)的科學(xué)家提出的。但二十一世紀(jì)以來(lái)，在實(shí)驗(yàn)層面，中國(guó)后來(lái)居上。

2016年，中國(guó)發(fā)射了世界第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”。

2016年8月16日，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星發(fā)射

2017年，中國(guó)開(kāi)通了世界第一條量子保密通信的干線“京滬干線”（解讀量子通信京滬干線，包你懂 | 袁嵐峰）。

在2017年9月29日京滬干線開(kāi)通的新聞發(fā)布會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)白春禮（電子屏右側(cè)）在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，與奧地利科學(xué)院院長(zhǎng)安東·塞林格（電子屏左側(cè)）進(jìn)行世界首次洲際量子保密通信視頻通話

墨子號(hào)實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星與地面站之間的量子保密通信，傳輸介質(zhì)是真空與大氣層，這叫做自由空間傳輸。京滬干線實(shí)現(xiàn)了北京到上海之間2000公里的量子保密通信，傳輸介質(zhì)是光纖。兩種方法各有優(yōu)勢(shì)，可以互補(bǔ)使用。

京滬干線的32個(gè)節(jié)點(diǎn)

潘建偉等人最近的這篇文章，介紹的就是墨子號(hào)與京滬干線至今為止的運(yùn)行結(jié)果。京滬干線有32個(gè)節(jié)點(diǎn)，還有兩個(gè)地面站可以通過(guò)墨子號(hào)跟京滬干線連接，一個(gè)在河北興隆，另一個(gè)在新疆南山。因此，總的跨度達(dá)到了4600公里。

《Nature》論文圖1：天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)示意圖

無(wú)論是在連接的數(shù)量上，還是在生成密鑰的速率上，還是在抵抗物理攻擊的能力上，還是在穩(wěn)定性上等等，這個(gè)跨度4600公里的天地一體量子保密通信網(wǎng)絡(luò)都有杰出的表現(xiàn)，初步達(dá)到了實(shí)用的要求。論文給出了大量的數(shù)據(jù)，歡迎大家去閱讀。

《Nature》論文表1：天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)中骨干網(wǎng)、四個(gè)城域網(wǎng)（北京、濟(jì)南、合肥、上海）、兩個(gè)地面站（興隆、南山）以及墨子號(hào)衛(wèi)星的各種指標(biāo)（中繼數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)、用戶數(shù)、連接數(shù)、平均長(zhǎng)度、損失率、成碼率）

未來(lái)，以天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，中國(guó)將進(jìn)一步推動(dòng)量子通信在金融、政務(wù)、國(guó)防、信息等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。一個(gè)例子是使用量子精密測(cè)量方法的國(guó)家地基授時(shí)網(wǎng)絡(luò)，它將成為世界上最大、精度最高的光纖授時(shí)系統(tǒng)。

在基礎(chǔ)研究方面，天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)也將成為全人類重要的基礎(chǔ)設(shè)施。例如超大尺度量子干涉的實(shí)驗(yàn)可以探索量子力學(xué)與廣義相對(duì)論的融合，這是當(dāng)今物理學(xué)最基礎(chǔ)的問(wèn)題。

最后，來(lái)介紹一下其他國(guó)家的情況。經(jīng)常有人說(shuō)，量子通信是假的，因?yàn)槠渌麌?guó)家都不搞。這個(gè)說(shuō)法在邏輯層面就是錯(cuò)的，因?yàn)榕袛嗾婕俚臉?biāo)準(zhǔn)不應(yīng)該是其他國(guó)家搞不搞。而且在事實(shí)層面，這個(gè)說(shuō)法也是錯(cuò)的。

歐美在量子通信方面都有大量的計(jì)劃與研究。他們都想做中國(guó)做的事，只是都還沒(méi)有做到。

例如，德國(guó)和日本都有發(fā)射量子通信衛(wèi)星的計(jì)劃。德國(guó)還沒(méi)有發(fā)，日本在2017年發(fā)了一顆叫做“蘇格拉底”的衛(wèi)星，號(hào)稱做到了量子通信。但看一下他們的論文，就會(huì)發(fā)現(xiàn)他們只是在測(cè)試量子通信相關(guān)的技術(shù)，還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)量子通信（日本真的成功進(jìn)行超小型衛(wèi)星量子通信實(shí)驗(yàn)了嗎？| 袁嵐峰）。因?yàn)樗麄兊募夹g(shù)水平不夠，一次要發(fā)一億個(gè)光子才能收到，但量子通信必須要每次只發(fā)一個(gè)光子，所以日本遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)標(biāo)。

日本的微型通信衛(wèi)星“蘇格拉底”（來(lái)自日本信息通信研究機(jī)構(gòu)主頁(yè)）

又如2020年，美國(guó)發(fā)布的《量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略愿景》提出：“未來(lái)5年，美國(guó)將展示實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)，從量子互連、量子中繼器、量子存儲(chǔ)器到高通量量子信道，以及洲際天基糾纏分發(fā)?！?/p>

2020年，歐盟發(fā)布的量子旗艦計(jì)劃《戰(zhàn)略研究議程》提出：“3年愿景是利用QKD協(xié)議和具有可信中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全球范圍的安全密鑰分發(fā)，6 - 10年愿景是使用量子中繼器在光纖上實(shí)現(xiàn)800公里以上的量子通信。”

跟這些計(jì)劃相比，就能看出中國(guó)的領(lǐng)先程度。中國(guó)領(lǐng)先歐盟3至5年，領(lǐng)先美國(guó)5至8年。