量子通信:信息安全“保护神” 量子 通信 信息

  

 

  量子通信在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、票据的政府、电信、证券、保险、银行、工商、地税、财政等领域和部门,而技术又相对成熟,未来应用市场前景广阔。

  “量子通信在军事通信、政府保密通信、民用通信上都将带来颠覆性的变革,技术又已相对成熟,经我们详细测算,未来市场空间远超千亿元。”国内最早发表量子通信领域证券研究报告的分析师之一、兴业证券通信团队首席分析师唐海清指出。

  6月3日,国家发改委发布《长江三角洲城市群发展规划》提出,将积极建设“京沪干线”量子通信工程,推动量子通信技术在上海、合肥、芜湖等城市使用。更引入注目的是,文件明确提出:“促进量子通信技术在政府部门、军队和金融机构等应用。”这被认为是政府首次明确推动量子通信技术进入政府、军队、金融机构。比如一些银行系统,在客户的征信信息、个人用户信息的传输上也会通过量子,确保信息不被窃取。

  按照国家发改委此前立项规划,2016年下半年,全球最长的远距离量子加密通信干线“京沪干线大尺度光纤量子通信骨干网”将完工交付。同时,7月中国将发射量子科学实验卫星,推动无光纤的空中量子通信。

  量子理论被认为是继牛顿经典力学后,人类科学的颠覆性发现。日前,《国际金融报》记者在上海纽约大学举行的“原子、分子和光物理前沿发展国际研讨会”上专访数位量子物理国际顶尖科学家,发现国内民众对量子通信存在不少误解,而中国在量子通信领域的实际应用正走在世界前列。

  如何进行信息传递

  下个月,我国将发射世界首颗量子科学实验卫星,并在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信,构建一个天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。

  而今年9月,量子通信的核心环节:密钥传输实验,将搭乘“天宫二号”上天展开实验。这意味着世界上第一封绝对不会被拦截、被破解、被复制,只能是“天知地知,你知我知”的密信,即将诞生。

  那么,量子通信的原理是什么,如何实现信息的传递和加密?

  量子通信,即利用量子纠缠效应,来传递信息。什么是量子纠缠?通俗地说,就像心电感应。量子力学研究发现,宇宙中任何一个粒子都有“双胞胎”,二者即使隔开整个宇宙的距离,也仍然一直保持同步同时同样变化,就像其中一个翻掌,宇宙另一头也同时翻掌。这就像一对恋人,一个人心里对另一个人说“我爱你”,另一个人立即同步有相同感受地说“我爱你”。这一对粒子同步同样变化的状态,就是量子纠缠态。

  利用这一原理,人们可以制备出一对纠缠粒子,把它们一个放在北京,一个放在上海,当北京的粒子一动,上海的粒子立刻就接收到信息。这就是量子通信。

  目前当我们讨论“量子通信”,主要包含两层应用方向:一是用量子技术取代目前技术(光缆)来传递信息;二是仍用目前技术传递信息,但信息加密的秘钥用量子原理来分配、传递秘钥。

  其中第一种完全用量子技术来传递信息,就不像目前技术需要铺设有形的光缆,而是无形地在空中传输,这就是国际常称的free space communication(空中量子通信)、国内所称的量子隐形传送。

  但目前的空中量子通信仍有关键技术难题未解,短期内未有实际投入使用的项目。那2016年下半年将交付的京沪干线量子通信网络,是指什么?

  它的全称是“京沪干线大尺度光纤量子通信骨干网”,顾名思义,它仍然需要铺设光缆,通过有形的光纤传送信息,这就是国际常称的“classical transmission(传统传输方法)”。

  但它对信息的保密是利用量子技术,即上述两大应用方向中的第二种:利用量子原理分配秘钥。这也是目前全球量子技术中,最接近实际应用的研究领域。中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟说,“京沪干线”项目主要针对量子保密通信关键技术。

  “京沪干线”年底建成

  中国目前主攻量子保密通信技术,目前在建的主要是两个项目:一是“京沪干线”,二是7月将发射的量子通信卫星。

  京沪干线大尺度光纤量子通信骨干网,将是目前全球总长度最长的量子保密通信干线,其长度达2000余公里,从北京出发,经过济南、合肥,到达上海。它是世界首例千公里级高可信、可扩展的广域光纤量子通信网络,2013年由国家发改委立项,预计2016年9月底完成全部应用系统交付,并开始全系统上线联调,年底完成项目总验收。

  全球量子通信的公认专家、德国美因茨大学物理学教授Peter Van Loock告诉《国际金融报》记者,若金融机构、军队、政府确实需要在上海与北京之间传送绝密信息,量子保密干线是最好的保密方案。潘建伟说,该干线可以实现远程高清量子保密视频会议系统和其他多媒体跨域互联应用,也可以实现金融、政务领域的远程或同城数据灾备系统、金融机构数据采集系统等应用。

  量子保密技术被普遍认为是“理论上百分百不可破译截获”、“百分百安全”,主要基于两个原理:海森堡测不准原理和量子不可复制原理。

  三位不愿具名的中国科学家告诉《国际金融报》记者,量子密码通信传递的不是信息本身,而是传递密钥,甲发送确定状态的光子,乙采用收发器接收,而后甲乙互相对应光子状态,一旦发现光子状态改变,即可确认被窃听。

  但最大的难题是:光子会丢失。光子发射一段距离后就会衰减,若没有中间站“在路上帮它调整状态”,它就无法完成从北京到上海的穿越。

  因此,量子通信要解决的两个基本问题就是:让光子保持量子纠缠状态的距离变得更长、让光子传输的速度更快。在同等技术条件下,中间基站(或称“节点”)的质量非常关键。

  截至3月,京沪干线已建设完成15个中间基站、1554千米主干线路光缆勘查和改造。其中,北京城域量子网络已经完成了部署和测试验收,全天候24小时连续运行,系统稳定运行时间已超过5000小时。目前正进行上海接入网的施工建设和主干线二期的建设工作。

  数位科学家告诉《国际金融报》记者,理论上,即使是量子计算机,也不可能破译量子秘钥,然而实际应用中,仍有许多因素可能导致秘钥泄露。尤其是中间基站,需要先接收,再发送,容易存在被截获的漏洞。

  中国实际应用居前列

  《国际金融报》记者通过采访发现,欧洲主攻传输中的中转基站技术,美国主攻量子计算机的硬件,中国目前主攻长距离量子加密通信。总体而言,欧洲领先美国,而中国在实际应用方向走在前列。

  在量子通信领域,美国最新进展是在2015年,美国航空航天局(NASA)计划在其总部与喷气推进实验室(JPL)之间建立一个直线距离600千米、光纤皮长1000千米左右、10个中转基站的远距离光纤量子通信干线,并计划拓展到星地量子通信。目前尚未有实际进展的最新消息。

  与美国相比,中国的实际应用明显走在前列。今年7月,中国将发射首颗“量子科学实验卫星”,这颗卫星将推动实现无光纤的空中通信。

  该卫星搭载量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源、量子试验控制与处理机等有效载荷,具备两套独立的有效载荷指向机构,通过姿控指向系统协同控制,可与地面上相距千公里量级的两处光学站同时建立量子光链路。

  量子卫星发射后,天地一体化量子科学实验系统将投入正式运行,完成的多项科学实验任务包括:星地高速量子密钥分发、广域量子通信网络、星地量子纠缠分发以及地星量子隐形传态等。

  “欧洲目前主攻中转基站的突破。”全球固体量子光学与自旋电子学领域公认的专家Jorg Wrachtrup告诉《国际金融报》记者。

  欧盟2016年4月批准了10亿欧元的量子研究基金。同时在2015年底推出了用于发展量子信息技术的“欧洲量子科学技术”计划,以及《欧洲量子信息处理与通信》计划,是继欧洲核子中心和航天技术采取国际合作之后,又一针对重大科技问题的大规模国际合作。

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