杨义先评量子保密通信 量子卫星与保密通信

日前,中国成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”(以下简称量子卫星),将在世界上首次实验卫星和地面之间的量子保密通信。

量子是一个能量的最小单位。我们看到的光,就是由数以万亿计的光量子组成的。利用被称为物理世界百岁“幽灵”的量子理论,未来通信将能实现绝对安全。

量子卫星的成功发射,将推动中国在量子太空国际竞赛中掌握主动权。也有人质疑,量子信息基础研发成本高昂,目前实用性非常小,值得如此高投入吗?

量子像“上帝掷骰子”

现在,如果我给你发一封邮件或信息,最常用的办法是打电话、发短信、写信或者用互联网,这些方法都可能被别人探知。有没有一种方法,传一封密信,只让天知地知、你知我知?答案是,有。此次发射的量子卫星,就是为了将来至少在硬件上做成这件事。

不过,要说清楚量子卫星,首先需要了解什么是量子和量子理论。

何谓量子?量子是构成物质的最基本单元,是一个能量的最小单位,不可分割。我们熟知的分子、原子、电子、光子等微观粒子,都是量子的一种表现形态。从某种意义上来说,世界本身就是由量子组成的。以光为例,它由一个个“光量子”组成,一个“光量子”的能量就是光能量变化的最小单位(因为墨子进行了著名的小孔成像实验,此次量子卫星以他的名字命名,以纪念他在早期物理光学方面的成就)。

我们换个说法来解释。如果把能量等物理量一份份往下分,分到无法再分的小块儿为止,这个小块就是量子。比如,氢原子中电子的能量只能取一个基本值:-13.6电子伏特或者其 1/4、1/9、1/16、1/25 等。这些基本值就好比一个个台阶,我们一般只能上一个台阶,而不能上半个。这些“台阶”可以看做量子。

量子理论和我们熟知的经典力学的根本区别在于确定性问题。一般来说,经典力学世界里的物体状态是确定的。比如一只猫,或者是死,或者是活,但不能同时处于死和活的状态。但是,量子的状态不是确定的。一只量子的猫,可以是死的,也是活的,甚至可以处在“死”和“活”的叠加状态上。

那么,这些状态不定的量子叠加会发生什么呢?这就是量子力学的另一个基本原理——量子纠缠。如果两个量子处在特殊状态中,不管空间分布有多远,当对其中一个粒子施行操作或测量,远处的另一个粒子状态会瞬时地发生相应变化,就像双胞胎心灵感应一样。

爱因斯坦将这种“幽灵般的超距作用”称为“上帝掷骰子”(不过,爱因斯坦坚称“上帝不会掷骰子”),这两颗骰子无论相距多远,掷出来的结果始终是一样的。

量子理论的这种特性,最直接的一个应用就是量子保密通信。通俗说法是,一个人想要把秘密传给另外一个人,需要把存放秘密的箱子和钥匙一起传给对方。接收方只有用这把钥匙打开箱子,才能取到秘密。一旦这把钥匙被别人动过,由于量子不可克隆也不可分割,其状态会立刻改变,传送者马上就能发现,原有的钥匙作废;传递者会再给一把新钥匙,直到接收方拿到为止。

卫星肩负3大实验任务

然而,要实现量子通信,主要困难是量子在长距离传输过程中会出现信号损耗。世界上现今一个比较公认的路线图是,先利用光纤在城市内构建一个网络,然后利用中继器连接各个城市,再通过卫星的中转实现远距离量子通信。

经过潘建伟等中国科学家近20年的技术积累和实践,目前,城市之间的量子通信网已经进入冲刺阶段。合肥示范网46个、济南90多个节点已顺利建成并开始测试,北京、上海城域量子通信网已基本建成,整个“京沪干线”将于今年下半年开通。专家预计,2025—2030年,覆盖全国的量子通信网络有望建成。

实现地面上相距数千公里甚至覆盖全球的广域量子保密通信,这需要卫星中转,量子卫星应运而生。更重要的意义是,量子理论虽然诞生百年,但是其奇妙特性从未在太空验证过。

在未来两年时间里,科学家们将依靠量子卫星,进行3大类实验任务。量子卫星首席科学家潘建伟院士表示,第一类是进行卫星和地面之间的量子密钥分发,即验证天地之间能否进行量子通信,如果中国南山、德令哈、兴隆、丽江4个地面站任何两两之间都可以实现量子秘钥分发,未来就可以实现星地组网;第二类相当于在太空实验量子理论是否可行;第三类是实现卫星和地面千公里量级的量子态隐形传输,也就是将粒子的未知量子态精确传送到遥远地点而不用传送粒子本身。

最新的进展是,8月17日11时56分24秒,密云站在第23圈次成功跟踪、接收到量子卫星的首轨数据。量子卫星首轨任务时长约7分钟,接收数据量约202MB。经验证,卫星数据质量良好。

潘建伟说,如果此次量子卫星的效果达到预期,下一步还计划发射“墨子二号”“墨子三号”。“单颗低轨卫星无法覆盖全球,同时由于强烈的太阳光背景,目前的星地量子通信只能在夜间进行。要实现高效的全球化量子通信,还需要形成一个卫星网络。”到2030年左右,中国力争率先建成全球化的广域量子保密通信网络。

技术进步将会降低成本

“如果经过证明,这条卫星发射的技术路线正确,国外团队就都会开始从太空来开展量子实验,这将推动整个学科的发展,这就是中国的引领作用。”潘建伟说。

中国已经成为新一轮量子通信研究的引领者。据潘建伟透露,中国科学院已经与奥地利科学院签署合作协议,共同致力于在量子科学实验卫星框架中合作开展洲际量子通信实验,之后将和更多国家合作开展量子信息技术方面的研究。

继量子卫星之后,潘建伟团队还计划开展空间站“量子调控与光传输研究”项目,研究星间量子通信技术等,同时进行量子密钥组网应用等研究,为下一步卫星组网奠定技术基础。

不过,要实现全球化的量子通信,需要几十颗价格不菲的量子卫星组网。有人质疑,量子信息基础研发成本高昂,目前技术还不够成熟,实用性非常小,值得如此高投入吗?

面对质疑,潘建伟并不否认成本高昂,但他相信这是阶段性难题。“随着技术进步,很多成本都会降下来。光纤刚问世的时候只能造几十厘米,当时没人能想到,几十年后我们的地下会建成这么完备的光纤网络。”

有报道认为,中国会根据量子卫星实验的实际进展,量力而行,同时不排除进行相关国际合作的可能。

按照潘建伟的说法,正如互联网技术的爆炸式发展,量子信息技术同样是革命性的。他相信,由于高安全性优势,量子通信技术将在金融机构、国防政务、大数据中心大展身手,并有望在人们的安全支付、手机通信中得到应用。“在这个过程中,相关技术创新将会大幅降低成本。”潘建伟说。