量子保密通信“京滬干線”總長2000余公里，從北京出發(fā)，經(jīng)過濟(jì)南、合肥，到達(dá)上海。
張江國家自主創(chuàng)新示范區(qū)的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院，今年將注定成為全球矚目的科學(xué)地標(biāo)——今年7月，我國將發(fā)射全球首顆“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”，而科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心(上海)即設(shè)在該院：今年底，全球第一條遠(yuǎn)距離量子保密通信干線“京滬干線”將建成并驗(yàn)收，京滬兩地及沿線的金融、政務(wù)機(jī)構(gòu)可利用這條線路，進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)災(zāi)備和量子安全數(shù)據(jù)傳輸，從物理原理上確保不可能被第三方竊聽到有用信息。
量子通信為何能從根本上解決通信安全問題?應(yīng)用前景如何?記者日前走進(jìn)中國科大上海研究院采訪了潘建偉院士、陸朝陽教授和上海國盾量子信息技術(shù)有限公司負(fù)責(zé)人。
基本原理：量子不可克隆
潘建偉說，講述量子通信的科學(xué)原理，還得從量子力學(xué)講起。這是一個(gè)與經(jīng)典力學(xué)差異很大的物理學(xué)分支，是迄今為止描述微觀世界最準(zhǔn)確的理論。
一個(gè)物理量如果不能連續(xù)變化，只能取一些分立的值，這個(gè)量就是量子化的。好比上臺(tái)階，只能上一級(jí)臺(tái)階，而不能上半級(jí)。宏觀世界里的物理量似乎都能連續(xù)變化，但在微觀世界，許多物理量是量子化的，即存在一個(gè)最小的單位，不能再往下細(xì)分。
量子力學(xué)描述世界的語言與經(jīng)典力學(xué)有根本區(qū)別。經(jīng)典力學(xué)描述一個(gè)物體的狀態(tài)，會(huì)給出它的明確位置;量子力學(xué)描述一個(gè)微觀粒子的狀態(tài)，給出的則是疊加態(tài)——這個(gè)粒子在某些情況下既可能在這里，也可能在那里，沒有確定位置。好比孫悟空的分身術(shù)，一個(gè)孫悟空同時(shí)出現(xiàn)在多個(gè)地方，孫悟空的各個(gè)分身就像是他的疊加態(tài)。在通信領(lǐng)域，經(jīng)典通信的信號(hào)只有0和1，量子通信不但有信號(hào)0和1，還有0+1、0-1等量子疊加態(tài)。
量子疊加原理導(dǎo)致了量子不可克隆原理：在量子力學(xué)中，不可能實(shí)現(xiàn)對一個(gè)未知量子態(tài)的精確復(fù)制，這是量子通信達(dá)到“無條件安全”的基本科學(xué)原理之一。
任何竊聽都會(huì)擾動(dòng)量子態(tài)
任何經(jīng)典通信都存在被竊聽的可能性。如打電話時(shí)，他人可通過竊聽器，從通信線路中的信號(hào)中分出一些，使其進(jìn)入另一根線路。竊聽時(shí)，0和1這兩種信號(hào)不會(huì)被擾動(dòng)，所以通話者無法察覺。
《紐約時(shí)報(bào)》去年報(bào)道，美國國家安全局被曝監(jiān)聽谷歌、雅虎用戶的通信，不需要侵入兩家公司的數(shù)據(jù)中心，只需截取光纜、電纜中傳輸?shù)男畔⒓纯伞＿@些跨國企業(yè)的數(shù)據(jù)中心分布在世界各地，用光纜和電纜相互連接，很多情況下傳輸信息并不加密，埋下了竊聽隱患。即便采用經(jīng)典加密手段，也不能確保信息安全。
與經(jīng)典通信不同，量子通信可以將信息編碼，加載到單個(gè)光子的量子疊加態(tài)的偏振方向上。單光子是光能量的最小組成單元，不能被再分割，量子狀態(tài)無法被精確復(fù)制，任何竊聽行為都會(huì)對其造成擾動(dòng)，從而被通信雙方察覺并規(guī)避。通過量子態(tài)傳輸，通信雙方協(xié)商生成量子密鑰，再加上對信息進(jìn)行“一次一密”的加密保護(hù)，真正實(shí)現(xiàn)信息在傳輸中的完全隨機(jī)、不可破譯，從根本上解決通信安全問題。
陸朝陽預(yù)測，未來數(shù)年內(nèi)，量子通信將實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。經(jīng)典通信的硬件設(shè)施不會(huì)被取代，只需在原有設(shè)施上“錦上添花”——在通信發(fā)送端和接收端安裝單光子探測器、量子網(wǎng)關(guān)等量子加密設(shè)備，即可在電話、傳真、光纖網(wǎng)絡(luò)等原有通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)量子通信，安全性大幅提升。
抓住先機(jī)，上海加大布局
如今，量子通信技術(shù)已基本成熟，潘建偉團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域占據(jù)了國際引領(lǐng)地位，一個(gè)新興通信產(chǎn)業(yè)正在孕育、興起。
今年7月，我國將發(fā)射“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”。這顆由中國科大、中科院上海技術(shù)物理研究所、中科院上海微小衛(wèi)星工程中心、中科院成都光電技術(shù)研究所等單位聯(lián)合研制的衛(wèi)星，將在全球率先實(shí)現(xiàn)高速星地量子通信。作為“天地一體化”的地面設(shè)施，量子保密通信“京滬干線”計(jì)劃今年底建成并驗(yàn)收。“京滬干線”總長2000余公里，從北京出發(fā)，經(jīng)過濟(jì)南、合肥，到達(dá)上海。利用這一廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，京滬兩地的金融、政務(wù)等機(jī)構(gòu)能進(jìn)行保密通信。
面對這一新興高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，上海市政府抓住了先機(jī)。去年1月，張江國家自主創(chuàng)新示范區(qū)專項(xiàng)發(fā)展資金重大項(xiàng)目啟動(dòng)，建設(shè)量子保密通信上海總控及大數(shù)據(jù)服務(wù)中心、陸家嘴金融量子保密通信應(yīng)用示范網(wǎng)。上海國盾量子信息技術(shù)有限公司負(fù)責(zé)人介紹，總控中心是“京滬干線”“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”“陸家嘴金融網(wǎng)”等重大項(xiàng)目量子通信網(wǎng)絡(luò)的管理、監(jiān)控、控制和展示中心，負(fù)責(zé)全網(wǎng)監(jiān)察和運(yùn)維指揮。大數(shù)據(jù)服務(wù)中心將布局量子通信金融數(shù)據(jù)戰(zhàn)略災(zāi)備設(shè)施和“量子金融云”應(yīng)用的試點(diǎn)，同時(shí)將試點(diǎn)建設(shè)“量子政務(wù)云”，用量子技術(shù)保護(hù)每一個(gè)比特。陸家嘴金融量子保密通信應(yīng)用示范網(wǎng)建成后，將與“京滬干線”和“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”互聯(lián)互通，為金融機(jī)構(gòu)提供高安全等級(jí)的數(shù)據(jù)服務(wù)。
今年，第二期項(xiàng)目有望啟動(dòng)。上海國盾量子公司將與電信運(yùn)營商謀劃戰(zhàn)略合作，聯(lián)合開展在金融、政務(wù)、電力、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)+等戰(zhàn)略行業(yè)和重大領(lǐng)域的用戶拓展和布局，推動(dòng)量子通信產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
