航空航天科学与工程
量子通信:从云端来到人们身边
2017/09/22
1900年普朗克提出“量子”这一重要概念,量子论为我们打开了新世界的大门。但是,普朗克的能量量子化观点与经典物理学中的“能量连续性原理”格格不入,最初物理学界对它的反应很冷淡,认为普朗克公式“纯粹是一些不相关量的偶然巧合”,更不承认能量量子化观点。普朗克本人也只是把能量量子化的观点局限于电谐振子向外辐射能量和吸收能量的过程中。1905年,针对光电效应实验与经典理论的矛盾,爱因斯坦把量子概念引进光的传播过程,提出了光量子(光子)假说,并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念,推动了量子力学的发展。过去50多年对量子纠缠的实证,恰恰就是量子通信的起源。量子通信是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通信方式,是量子论和信息论相结合的新的研究领域。广义的量子通信,根据传输的信息是经典比特或量子比特,可分为量子保密通信和量子隐形传态,前者用于量子密钥分发(简称QKD),后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。目前业内所说的量子通信,指的是狭义的量子通信技术,一般称为量子保密通信,即用于量子密钥分发。量子通信在军事、国防、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景,不仅可用于军事、国防 等领域的国家级保密通信,还可用于涉及秘密数据和票据的电信、证券、保险、银行、工商、地税、财政以及企业云存储、数据中心等领域和部门。2016年8月16日凌晨1点40分,在酒泉卫星发射中心,我国成功发射了全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”(以下简称为“量子卫星”)。一时间各路媒体争相报道,在各大网站、论坛、自媒体平台等引起了热烈的讨论甚至争议。真正懂得量子通信科学原理的人毕竟不多,一些脑洞大开的解读诸如开启“任意门”、“瞬间移动”等愈发让人觉得这事很玄乎。当然,更多的一种反应是“你们说的每一个字我都认识,但是你们说的东西我一点都听不懂”。相信不少外行如我,看到“量子卫星”、“量子通信”这样的词汇就不明觉厉、肃然起敬。追本溯源,量子通信也的确算得上真“高冷”。接下来,让我们暂时将视线转回到100多年前,从头开始了解一下“量子通信”这事是怎么发生的。“一朵鸟云”引发的故事提到“量子通信”,不得不从“量子”说起。而“量子”这个概念的提出,与经典物理学上空的“两朵乌云”中的其中一朵有关。19世纪是经典物理学的峥嵘岁月,构建了力学、电磁学、热学、光学、声学等科学理论的大厦。到19世纪末期,物理学的发展可以说已经相当成熟。著名物理学家开尔文在1900年送别旧世纪、展望新未来的演讲中提到:“19世纪已将物理学大厦全部建成,今后物理学家的任务就是修饰、完美这座大厦了。”然而,此时在物理学的万里晴空中飘来了两朵乌云:第一朵与迈克尔逊和莫雷的实验有关,该实验证明绝对静止的空间是不存在的;第二朵与黑体辐射有关,即高温物体辐射形成的光谱分析现象。这两个无法用经典物理学解释的新发现,成为了20世纪物理学革命的导火线。20世纪初,对这两朵“乌云”的研究很快导致了物理学的一场大变革——从第一朵乌云中诞生了相对论,从第二朵乌云中诞生的正是量子论。为了解决黑体辐射问题,马克斯·普朗克提出了“量子”的概念——“能量子”(量子)是能量的最小单位,他假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的,只能取能量基本单位的整数倍(后来的研究表明,不但能量表现出这种不连续的分离化性质,其他物理量诸如角动量、自旋、电荷等也都表现出这种不连续的量子化现象)。在1900年12月14日的德国物理学学会会议中,他第一次发表了能量量子化数值、一个分子摩尔的数值及基本电荷等。其数值比以前更准确,提出的理论也成功解决了黑体辐射的问题,这也标志着量子论的诞生。如果说相对论从根本上改变了人们的时空观,那么,量子论的创立可以说从此使我们认识世界的角度从宏观层面进入微观系统。一个群星璀璨的伟大时代量子力学创建于20世纪上半叶,一个群星璀璨的伟大时代。从1900年普朗克提出“量子”这一重要概念开始,量子论为我们打开了新世界的大门。但是,普朗克的能量量子化观点与经典物理学中的“能量连续性原理”格格不入,最初物理学界对它的反应很冷淡,认为普朗克公式“纯粹是一些不相关量的偶然巧合”,更不承认能量量子化观点。普朗克本人也只是把能量量子化的观点局限于电谐振子向外辐射能量和吸收能量的过程中。1905年,针对光电效应实验与经典理论的矛盾,爱因斯坦把量子概念引进光的传播过程,提出了光量子(光子)假说,并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念,推动了量子力学的发展。他也因光电效应研究而获得1921年的诺贝尔物理学奖。1913年,玻尔在卢瑟福原有核原子模型的基础上运用量子化概念,建立起原子的量子理论,对氢光谱作出了满意的解释,使量子论有所进展。随后,玻尔、索末菲和其他物理学家为发展量子理论下了很大工夫。1923年,德布罗意提出了物质波这一概念,即一切物质粒子均具备波粒二象性,量子论发展达到一个新的高度。1925年至1926年,薛定谔基于量子性是微观体系波动性的反映这一认识,成功地确立了电子的波动方程,为量子理论找到了一个基本公式,并由此创建了波动力学。与此同时,海森堡于1925年创立了矩阵力学,并提出不确定性原理及矩阵理论。1928年,狄拉克完成了矩阵力学和波动力学之间的数学等价证明,对量子力学理论进行了系统的总结,并将两大理论体系——相对论和量子力学成功地结合起来,著名的狄拉克方程就是狭义相对论性的量子力学波动方程。1947年,兰姆移位实验,直接促使了量子电动力学的诞生。1948年至1949年,施温格、费曼和朝永振一郎用重正化概念、费曼图等发展了量子电动力学。可以说,量子力学是普朗克、爱因斯坦、德布罗意、玻尔、海森堡、薛定谔、狄拉克、波恩等伟大的物理学家们集体智慧的结晶。关于“量子纠缠”的纠缠后期致力于“统一场论”的爱因斯坦对“充满不确定性”的量子力学有所不满,爱因斯坦也成了质疑他自己曾经推动过的量子力学的带头人。在第五、六次索尔维会议中,爱因斯坦分别提出两个思想实验,试图凸显不确定性原理为何不成立。假设制备一对属于量子力学中的“纠缠态”的粒子A和粒子B(“EPR对”),都处于一半概率左旋、一半概率右旋的量子叠加状态,并且两者的旋转方向始终相反;但在用仪器测量之前并不知道某个时刻哪个是左旋,哪个是右旋。粒子A和粒子B在空间上离得很远后,测量粒子A,这时B是不可能知道A发生了变化因而发生相应变化的,除非见鬼了!而玻尔的一个推论(量子纠缠)认为,对粒子A进行测量,A会立刻由量子叠加态坍缩为确定态,表现出左旋或右旋状态的一种;而此时,距此很远的B粒子也会立刻坍缩成确定态。尽管两个粒子距离很远,但它们状态的改变是完全同时的,即使是光速也达不到这么快。爱因斯坦认为信息传递的速度不可能超过光速,因为这违反相对论。1935年,为论证量子力学的不完备性,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出了EPR悖论(Einstein-Podolsky-Rosenparadox)。他指出“量子纠缠”是量子力学的致命弱点,这种“鬼魅般的超距作用”(spookyactionatadistance)太荒诞了。薛定谔也认为“量子力学与相对论不相符合”,为了进一步验证量子力学的不完备性,他将量子力学应用到宏观效应中,从而构思了著名的“薛定谔猫思想实验”。1953年,英国物理学家玻姆同样认为以玻尔为首的哥本哈根学派的诠释是不完备的,需要附加的参量来描述,提出隐变量理论。1965年,北爱尔兰物理学家贝尔在此基础上提出贝尔不等式,为隐变量理论提供了实验验证方法。从20世纪70年代至今,对贝尔不等式的验证给出的大多数结果是否定的。但是,实验对贝尔不等式结论的一次次否定,是不是就证明了爱因斯坦“量子力学的不完备性”观点是错的呢?这值得商榷。在量子力学中,测量的本质是什么,还是个未解之谜。无论在理论上还是实践上,关于“量子纠缠”还没有形成一个共识,可以说支持派和反对派一直在“纠缠”着。量子通信:从理论走向实践过去50多年对量子纠缠的实证,恰恰就是量子通信的起源。量子通信是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通信方式,是量子论和信息论相结合的新的研究领域。广义的量子通信,根据传输的信息是经典比特或量子比特,可分为量子保密通信和量子隐形传态,前者用于量子密钥分发(QuantumKeyDistribution,简称QKD),后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。目前业内所说的量子通信,指的是狭义的量子通信技术,一般称为量子保密通信,即用于量子密钥分发。1.量子密钥分发量子密钥分发是利用量子纠缠的特性去实现密钥的安全分发,目前主要是在光纤或者自由空间利用光子的偏振或者相位特性来实现,同时还需要传统互联网信道完成数据传输。发送方或接收方,通过一定的手段(如激光器)制备出两个处于纠缠态的光子(EPR对)。将其中的一个,通过光纤发送至另一方,然后双方对光子进行测量。根据量子纠缠特性,两个光子一个左旋一个右旋,这样双方就可以得到互补的二进制0和1。至于哪一方得到0、哪一方得到1并不影响密钥分发,因为只需要双方的密钥对应即可。在这个过程中,并没有真正的实现一方将任意信息发送给另一方,但双方得到了相互对应的密钥。另外由于是通过粒子作为载体进行传输,不可能实现超光速通信。2.量子隐形传态量子通信的另一个应用——量子隐形传态(QuantumTeleportation)是1993年按照量子力学设计出来的一种实验方案,即把一个粒子A的量子态传输给远处的另一个粒子B,让B变成A最初的状态,传的是状态而不是粒子。量子隐形传态并不是瞬间传输,密码传输仍然依赖传统信道,因此传输速度不可能超光速,因此也并没有推翻相对论。1997年,奥地利量子物理学家塞林格教授(AntonZeilinger)带领的团队首次实现了单个光子单自由度的量子隐形传态。2015年,塞林格教授的学生——中国量子卫星项目首席科学家潘建伟院士所带领的研究组实现了单光子双自由度的量子隐形传态。鉴于光子具有轨道角动量和自旋角动量两个自由度,因此可以说潘院士研究组实现了单个光子的完整意义上的量子隐形传态。量子通信绝对安全吗现有的非对称加密技术/公钥加密技术(RSA是常用的一种)并非不可破解,只是现有的计算机计算能力有限。随着计算机的性能不断提高,特别是未来量子计算机的研制,将有可能导致现有公钥加密被轻易解密。但是,量子计算机和量子保密通信之间并不是矛和盾的关系。量子计算机可以依仗的是它基于量子位的无比强大的计算能力,通过各种算法来破解基于复杂算法的加密技术。而量子密钥分发不是基于算法,而是基于纠缠态的光量子传输,直白地说,就是量子计算机强大的计算能力在量子密钥分发面前是无用武之力的。那么量子通信是否就能保证绝对安全?从量子密钥分发来看,点对点之间密钥传输的安全性是毋庸置疑可以保证的。因为在传输过程中,只要第三方试图窃取信号(以光量子为载体的密钥),就表示信号被观测了,一旦被测量了,状态就确定了。但是在被观测前它的状态是不确定的(处于量子叠加态),所以只要有人碰(试图窃取、观测)了信号,发送端和接受端都会察觉,因为“碰”信号的中间人再也无法将原来那个叠加态的量子发给接受端了,接发双方就可以销毁或丢弃这个密钥。考虑到量子密钥永远也不可能被截获,因此,只要能成功接发一组秘钥,就可以实现信息的安全传送。除非对方实行7×24小时干扰(试图窃取),那样的话通信确实会被破坏,但这同时也提示了该信道的不安全性。但是,在实际的量子密钥分发系统中,光源、信道节点和接收机的不理想特性使其难以满足理论协议模型的安全性证明要求,成为可能被窃听者利用的安全漏洞,所以针对实际量子密钥分发系统进行攻防测试和安全性升级将是其运营维护面临的一个问题。另外,在现有的长距离量子通信传输中,基于可信中继节点的密钥存储和转发不满足无条件安全性证明的要求,可能成为整个系统的安全风险点。量子通信产业化量子通信在军事、国防、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景,不仅可用于军事、国防等领域的国家级保密通信,还可用于涉及秘密数据和票据的电信、证券、保险、银行、工商、地税、财政以及企业云存储、数据中心等领域和部门。国外已有多个专门从事量子通信技术成果转化和商业推广的实体公司。例如美国的MagiQTechnologies公司和瑞士日内瓦大学成立的IDQuantique(IDQ)公司等,能够提供QKD量子通信的商用化器件、系统和解决方案。法国电信研究院成立的SeQureNet公司从事连续变量量子密钥分发产品的开发。国内开展量子通信相关研究的代表性机构包括中国科学技术大学、清华大学、山西大学、南京大学、中国科学院微系统所和技术物理所等。目前,以中国科学技术大学相关研究团队为核心发起成立了科大国盾量子、安徽问天量子和山东量子等产业化实体,进行量子通信前沿研究成果向应用技术和商用化产品的转化。2015年12月,中国科学院、中国科学技术大学和科大国盾量子等机构在北京共同发起组建了“中国量子通信产业联盟”。量子通信研究的多国竞赛1984年,美国IBM公司科学家本内特等人提出了首个量子密钥分发协议(BB84协议),使量子通信的研究从理论走向了现实。随着量子密钥分发技术的发展和逐步成熟,世界各国试点应用呈现快速发展趋势。2003年美国DARPA资助哈佛大学建立了世界首个量子密钥分发保密通信网络。此后,欧美日等多个地区和国家相继建成了瑞士量子、东京QKD和维也纳SECOQC等多个量子通信实验网络,演示和验证了城域组网、量子电话、基础设备保密通信等应用。2013年,美国知名研究机构Battelle公布了环美量子通信骨干网络项目,计划采用瑞士IDQ公司设备,基于分段量子密钥分发结合安全可信节点密码中继的组网方式,为谷歌、微软、亚马逊等互联网巨头的数据中心提供具备量子安全性的通信保障服务。英国政府在2013年发布了为期5年的量子信息技术专项,投入2.7亿英镑用于量子通信和量子计算等方面的研究。在空间量子研究领域,新加坡国立大学和英国斯特拉思克莱德大学组成国际科研团队,正借助成本仅约10万美元、重量只有约5公斤的立方体卫星开展量子实验,以实现“天基量子通信”。基于节约成本的考虑,加拿大科学家设想在地面制造成对的纠缠光子,然后将它们发射到不足30公斤重的微型卫星。意大利帕多瓦大学的科学家认为,在普通卫星上安装反射镜或其他更简单的设备就可以完成在太空开展量子科学实验的任务。去年该研究小组展示了光子从卫星弹回地球,仍能保持其量子态,接收错误率极低,足以用于量子密码传输。我国量子通信研究的试点应用起步较晚但发展迅速。2007年,中国科学技术大学在北京制成了国内首个光纤量子电话,之后相继在北京、济南、芜湖和合肥等地建立了多个城域量子通信示范网、金融信息量子通信技术验证专线以及关键部门间的量子通信热线。2014年,世界第一条量子通信保密干线京沪量子通信干线于2014年启动,2015年初正式投入建设,即将全线接通并正式启用。2016年8月16日,我国成功发射了世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”,并于8月17日成功接收该卫星的首轨数据。2017年1月18日,“墨子号”在圆满完成4个月的在轨测试任务后,正式交付中国科学技术大学使用。量子通信对未来信息安全的重要影响决定了这一领域必然是大国布局和竞争的主战场之一。对于“集中力量办大事”、实行举国体制的中国而言,发射量子通信卫星似乎是必然的决策,按照《国家创新驱动发展战略纲要》和国家“十三五”规划纲要的要求,中国要面向2030年部署一批与国家战略长远发展和人民生活紧密相关的重大科技项目和重大工程,其中,量子通信和量子计算机为四个重大项目之一。迄今为止,科学家们已经研制出了能完全编程的5个量子比特的通用型量子计算机,以及包括10到20个量子比特的专用测试系统。2017年3月6日IBM公司正式宣布,将在今年内推出全球首个商业“通用”量子计算服务,并将之命名为IBMQ。谷歌也加入了量子计算机研究的队伍中,该公司在加利福尼亚州圣芭芭拉建立了超导量子比特实验室。此外,英特尔、微软等公司也在为建造一台能工作的量子计算机所需要的各种技术提供强大支持,包括微电子学、复杂电路以及控制软件等的研发等。量子卫星发射成功:中国暂时领跑“墨子号”量子科学实验卫星是中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一。卫星有效载荷包括量子纠缠源、量子纠缠发射机、量子密钥通信机和量子实验控制与处理机,共同完成纠缠光子的生成、发送、地面通信以及实验控制。工程还包括南山、德令哈、兴隆、丽江4个量子通信地面站和一个空间量子隐形传态实验站(阿里量子隐形传态实验平台)在内的地面科学应用系统,与量子卫星共同构成天地一体化量子科学实验系统。该量子卫星的主要科学目标一是借助卫星平台,进行星地高速量子密钥分发实验,并在此基础上进行广域量子密钥网络实验,以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破;二是在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验,开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。为达成上述目标,未来两年内将开展以下四项实验:星地高速量子密钥分发的实验;广域量子通信网络实验任务;星地双向纠缠分发的实验;空间尺度量子隐形传态的实验,目标建立星地量子信道。虽然我国信息技术不少方面仍落后于美国等国家,但是“墨子号”升空使我们实现了在量子通信领域的突破,走在量子通信研究与应用领域的世界前列。对于量子信息研究来说,地面上的量子通信应用进展迅速,但自由空间量子通信还很落后,所以卫星在太空中实现量子通信实验是一个巨大的进步。我国的量子卫星将为全球量子通信系统提供一个试验台。借助“墨子号”卫星平台,如果能够实现星地间量子密钥分发,是对量子通信的发展的重要一步,也可以说明我国具有新的实验技术和实验能力。毕竟量子力学在很多不同的环境和体系下被检验过多次,但却从未在太空尺度验证过。如果这个相关基础问题的实验验证能首次走向太空并取得进展,在科学和技术的角度上,也是具有重要意义的。当然,如果能进一步实现星地双向量子纠缠分发,甚至空间尺度量子隐形传态,那此次量子卫星的发射就是为未来量子互联网的建设打下坚实的基础。
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上海证券报
2017年09月22日
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