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墨子號暢想:通信界“天下無賊”

最快再過10~15年,網上銀行、手機支付、信用卡等可能就不怕被盜號了。

我國於16日1時40分左右成功發射了世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”,它成功入軌後的各項實驗必將推動量子通信的發展。“量子通信是目前最安全的一種技術,它是以量子力學原理為基礎的,通過技術手段也不可能竊取破譯。”中科院量子信息與量子科技前沿卓越創新中心、中國科技大學上海研究院副研究員張文卓告訴第一財經記者。

“墨子號”升空

“墨子號”的一大任務就是要建立從衛星到地面的量子密鑰分發,設置地面和衛星之間的一個超遠距離的量子通道高精度采集的協助、跟蹤和瞄準系統,進行量子衛星和地面站點之間的密鑰分配,並進行無條件安全的量子通信實驗。

在量子保密通信中,由於量子具有不可分割、不可克隆和測不準的特性,所以一旦存在竊聽就必然會被發送者察覺並規避。目前金融、政務系統已開始使用量子通信。

“量子衛星將讓中國在防禦黑客方面走在世界前列。”美國《華爾街日報》16日發表評論說。

張文卓還向第一財經記者獨家透露:“未來我們計劃在中國空間站上部署量子通信技術。”

領跑量子通信

“‘墨子號’的發射是一個自信‘星’!”在酒泉觀摩完整個發射過程後,中國科學院上海微系統與信息技術研究所超導實驗室副主任、上海賦同科技有限公司總經理尤立星博士有些感慨。

在尤立星看來,國內研究團隊盡管在量子通信技術方面起步較晚,但是發展非常之快,工作節奏和團隊執行能力相較國外研發團隊都要快很多,加之國家相關部門和中科院的大力支持,使得國內的量子通信技術走在世界前沿,“量子衛星是量子通信技術全球化必不可少的環節。”

張文卓也很激動,“雖然與其他火箭發射沒啥區別,但是這里面凝聚了團隊里一百多人的心血。為這一刻,他們等了十多年。”

2016年7月30日,酒泉衛星發射中心,太陽帆板展開試驗準備

究竟什麽是量子通信技術?在長篇科幻小說《三體》中,人類在外星人的幫助下才實現量子通信,讓太空飛船與地球實時通信。但《三體》中的智子實屬作者的科幻想象,真實的量子通信並不是用來傳遞加密後的信息,而是應用於量子密鑰分發。

“量子通信的核心並非改變通信或者加密方式本身,而是提供一個更加安全的密鑰傳輸方式。”尤立星向第一財經記者解釋道。

事實上,“墨子號”將分發中國和歐洲中繼站之間的量子加密的密鑰,若一切順利,可使身處不同大洲的當事人擁有前所未有的通信安全水平。此外,“墨子號”的成功發射也意味著中國已成為首個構建天地一體化量子保密通信和科學實驗體系的國家,由中國布局的量子通訊網絡即將橫跨兩個大洲,實現衛星和地面之間的量子通信。

張文卓表示,量子通信衛星是在不同的空間使用同一個系統的工作原理,利用高速相幹激光將兩個不同大洲的基站進行連接。如果此次發射的中國量子通信衛星實驗成功,那麽“墨子號”將是人類歷史上的首創,也是世界上第一個實現跨大陸量子密鑰分配的網絡。

之所以要發射量子衛星,是因為基於衛星等航天器的空間量子通信,有著地面光纖量子通信網絡無法比擬的優勢

“僅僅發射一顆衛星是不夠的,只有形成星座才能建構起網絡,未來肯定還要發很多顆衛星。” 張文卓說。

“墨子號”將進行3個月左右的在軌測試,然後轉入在軌運行階段。其間將開展三大類實驗。第一類是進行衛星和地面之間的量子密鑰分發,實現天地之間的安全通信,如果4個地面站任何兩兩之間都可以實現安全的通訊,即可實現組網;第二類相當於把量子實驗室搬到太空,在空間尺度檢驗量子理論;第三類是實現衛星和地面千公里量級的量子態隱形傳輸。

“首批研究數據有望在今年年底前采集完畢。”張文卓說,“第一顆衛星很重要,將會證明我們的研究方向是否可行,比如量子密鑰的生成只有達到一定的速度才有實際應用價值。”

無條件保密

通常而言,信息的加密需要使用一連串數字組成的密鑰確保安全,但在傳輸過程中若被竊聽就可能被破譯。而量子密鑰具有不可克隆的特質,基於量子力學的測不準原理,如果密鑰在傳輸過程中遭遇竊聽,收發雙方就會知道,從而放棄使用不安全的密鑰。

目前在中國、歐洲和美國,基於光纖的量子密鑰分配網絡已經大規模應用,量子力學通信理論上就是用來替代現代的光纖通信,進一步提高安全性。

“就量子信息產業研究而言,量子通信在地面已經做過很多次實驗,相對比較成熟,但在太空中實現量子通信很少,難點在於要實現遠距離的跟蹤和瞄準並克服大氣擾動。”尤立星表示。

張文卓表示,量子通信中的信號傳播載體都是單個的光子,不能被放大,在大氣或光纖中傳播,光信號會衰減。傳輸到100多公里的時候,信號就基本衰竭,所以量子通信的距離受到很大限制,要想傳得更遠,就需要不斷建立中繼站。而發射量子衛星,光信號僅通過10公里左右的大氣層,信號衰減很少,可以將通信範圍擴展到全球的距離。

簡單來說,量子衛星起到了一個“配鑰匙”的作用。量子衛星將量子密鑰發送給兩個地面站,再通過對比,建立最終的絕對安全的量子密鑰。擁有相同量子密鑰的兩個地面站,可以把使用量子密鑰加密的信息,通過郵件、物聯網和無線電話等傳統的方式傳遞,而不用擔心信息會泄露。

量子衛星首席科學家潘建偉院士介紹稱:“量子通信的安全性所基於的是量子物理基本原理——單光子的不可分割性和量子態的不可複制性所保證的信息不可竊聽和不可破解。從原理上確保身份認證、傳輸加密以及數字簽名等無條件安全,可以從根本上永久性解決信息安全問題。”

不過,張文卓表示:“目前量子通信安全技術還只能用於光通信,光纖等‘主幹道’上的傳輸可以進行保密,手機的量子密碼技術還沒有開發出來,對於無線通信、WiFi技術尚不可用。”

他還透露:“‘京滬幹線’大尺度光纖量子通信骨幹網工程計劃於今年下半年交付。”

“量子通信未來的實際應用涉及銀行間金融數據傳遞的安全性、軍方保密視頻會議等方方面面,只要現在通信用得到的地方就都能夠用量子技術進行保密。”公安部第三研究所副研究員唐前進向第一財經記者表示。

“量子互聯網”有多遠

中國的量子空間衛星將為全球量子通信系統提供一個試驗臺,這也使得此次發射受到全世界的矚目。“中國在基礎量子實驗及其應用領域都做得非常出色。在下一次量子革命中,中國無疑是一個主要參與者。”維也納大學物理學教授塞林格(Anton Zeilinger)表示。

“墨子號”的發射讓“量子互聯網”的未來充滿希望。“如果此次量子科學實驗衛星上的實驗能夠獲得成功,那麽它肯定會為最終的‘量子互聯網’打下堅實基礎。”諾貝爾物理學獎得主、美國伊利諾伊大學香檳分校物理學教授萊格特(Anthony J. Leggett)表示。

據潘建偉介紹,中國力爭到2030年左右率先建成全球化的廣域量子保密通信網絡,並在此基礎上,構建信息充分安全的“量子互聯網”。

“量子互聯網”是一種基於量子力學原理建立起來的新型互聯網,能夠實現絕對安全的網絡通信。在此基礎之上,量子手機、量子簽章、量子測量儀的概念也開始出現。

未來出現的場景可能是在手機中植入量子加密芯片,用來接收並存儲密鑰。人們只需要將手機和量子密鑰分發機連接,就能夠實現保密通信。“這還有待網絡基礎設施建設的改造及通信標準的制定,預計未來10~15年內有望實現。”張文卓表示。

不過,“量子互聯網”是否將成為未來全球通信的潮流,並進入大眾生活,仍需考慮成本問題。

在尤立星看來,“墨子號”的發射更多是全球化量子通信科學實驗可行性的驗證,離實用仍有一段距離,“量子通信已經是量子信息技術中最接近實用化的了,但成本依舊高昂,目前量子手機等應用大多是概念炒作。”

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