作者：袁嵐峰
日前，有不少媒體援引中國科學技術大學的官方消息稱，中國科研團隊成功實現了跨越4600公裡的星地量子密鑰分發，此舉標誌著我國已成功構建出天地一體化廣域量子通信網絡，為未來實現覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了科學與技術基礎。
這項科研成果於1月7日被發布在國際頂級期刊《自然》上。這項成果有多麼重要？這意味著中國把量子保密通信推進到了實用的程度，遙遙領先其他國家。
那麼，什麼是量子保密通信？從古至今，人類創造出很多密碼體系，但沒有一個在原理上能保證安全，直到量子保密通信的出現。傳統的密碼總是需要派信使去送密碼本，被傳送的密碼本在專業中被稱作「密鑰」，信使若被抓或叛變，損失巨大。後來，密碼學家們發明了用數學難題加密的方法，解密因此變成了數學挑戰賽，但依舊存在被解密的風險。量子保密通信則獨闢蹊徑，提出了一種既不需要信使、也不依賴於數學難題的保密方法。
簡單來說，量子保密通信主要利用量子力學疊加、測量與糾纏等特徵，讓信息的發送方和接收方直接建立聯繫。信息的發送方和接收方通過一系列量子力學的操作，同時獲得了一段隨機字符串，比如011011100011。發收雙方就可以把自己手中的隨機字符串作為密鑰，用其將信息加密，後面的傳輸就完全是傳統的通信了，用光纖、電話、電子郵件甚至平信都可以。
由此可知，量子保密通信的技術難度集中在密鑰的產生環節，這一步需要量子的信道。不過，由於這套量子力學的操作只能產生隨機字符串，不能按特定意願表示信息，因此不能直接用量子信道傳輸信息。
如果回溯的話，量子保密通信的原理，是1984年由加拿大和美國的科學家提出的。進入新世紀以來，中國在實驗層面上，後來居上。2016年，中國發射了世界第一顆量子科學實驗衛星「墨子號」。2017年，中國開通了世界第一條量子保密通信的幹線「京滬幹線」。前者實現了衛星與地面站之間的量子保密通信，傳輸介質是真空與大氣層，也即自由空間傳輸。後者則實現了北京到上海之間2000公裡的量子保密通信，傳輸介質為光纖。兩種方法各有優勢，可以互補使用。
「墨子號」與「京滬幹線」至今為止的運行結果，正是前述發表於《自然》雜誌上的論文的主要內容。「京滬幹線」有32個節點，還有兩個地面站可以通過「墨子號」跟「京滬幹線」連接，一個在河北興隆，另一個在新疆南山，總的跨度達到了4600公裡。這也是論文題目《跨越4600公裡的天地一體化量子通信網絡》中「4600公裡」一說的來源。無論是從連接的數量、生成密鑰的速率上，還是從抵抗物理攻擊能力、穩定性等方面來看，這個跨度4600公裡的天地一體量子保密通信網絡都達到了實用的要求。
當前，量子科技發展突飛猛進，作為一項對傳統技術體系產生衝擊、進行重構的重大顛覆性技術創新，已成為新一輪科技革命和產業變革的前沿領域。以「天地一體化量子通信網絡」的構建為代表的一系列科研成果，證明中國已經具備了在量子科技領域的科技實力和創新能力。從全球範圍來看，比對2020年歐盟發布的量子旗艦計劃《戰略研究議程》、美國發布的《量子網絡戰略願景》《量子網際網路國家戰略藍圖》，中國在量子通信領域領先歐盟3-5年，領先美國5-8年。
可以自信地說，中國在量子通信領域已經實現「彎道超車」，但也要清醒地看到，我國量子科技發展還存在不少短板，面臨多重挑戰。廣大科技工作者必須堅定不移走自主創新道路，深入分析研判量子科技發展大勢，找準我國量子科技發展的切入點和突破口，堅定信心、埋頭苦幹，突破關鍵核心技術，搶佔國際競爭制高點，構築發展新優勢，為促進高質量發展、保障國家安全提供更強有力的支撐。
（作者系中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員、中國科學技術大學科技傳播系副主任）
來源： 光明日報客戶端