突破1000公裡!墨子號敲開量子通信大門,可惜因安全問題未能推行

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審核-小文

在科學界，「墨子號」往往和量子通信聯繫在一起，因為它就是我國自主研發的量子科學實驗衛星。據報導，「墨子號」突破了一千公裡的量子密鑰分發距離，達到了1120公裡，實現了量子密鑰分發在歷史上跨越一千公裡的傳送，同時還將會叩開量子通信從實驗室走向實際應用的大門。

那麼什麼是量子？什麼是量子密鑰？這種方式如何保證通信的安全性？下文將帶您一起了解該成就和與其相關的問題。

何為量子？何為量子密鑰分發？

量子這個概念很多人在網絡上聽得多了，都覺得它是一個高大上的詞語，但並不知道它指的是什麼。從量子物理的定義來看，量子指的是一切物質組成的最基本的單位，例如分子、原子、電子和光子，這些都可稱為量子。

量子密鑰分發，顧名思義就是將量子密鑰發送出去。但由量子組成的密鑰與普通計算機裡的密鑰不同，它的安全性更高一些。如果密鑰在分發的過程中遭到第三方的盜竊，那麼接收方和發送方立即就能察覺這件事，從而採取應對措施。

為何量子密鑰的安全性如此高？

量子密鑰的分發之所以會有如此高的安全性，是因為它同時利用了量子的兩個特性，疊加性和不可複製性。疊加性是指量子可以是兩種狀態的疊加，而普通生物的狀態是單一的，要麼是生，要麼是死，而量子可以同時保持完整的破碎。

這種特性決定了量子的不可複製性。如果量子密鑰在傳輸的過程中被第三方接觸了，那麼密鑰的狀態就會立即改變，有可能向完整的方向改變，也有可能向破碎的方向改變，導致第三方無法得到正確的密鑰。而接收雙方在得知此事後，可以重新生成密鑰進行分發和接收。

即使該方法很理想，但還無法得到實際應用，這是為何？

量子密鑰的分發在理論上來說是一種安全度很高的通信方式，但這種方式自從被提出來後一直到現在都還未得到實際應用，主要有兩方面的原因。一方面是這種方式因為信號損耗問題無法進行遠距離傳輸，另一方面是現實設備還存在不少安全漏洞問題。

看到這可能會有朋友好奇，為什麼量子在傳遞過程中還會產生信號損耗呢？實際上地球上任何信號在傳播過程中都存在損耗現象，目前實驗室裡利用單光子作為物理載體來傳輸量子密鑰，但是單光子在傳輸過程中會不斷地被光纖通道吸收，導致距離越遠信號的損耗就越大。

中繼通信可解決該難題，但仍存在這方面的安全漏洞

在「墨子號」實現1120公裡的量子密鑰分發之前，國際上已經出現了500公裡的成功案例，但之後並未出現重大突破。後來有科學家提出了採用中繼通信來充當密鑰分發的「接力站」，這就好比一個馬拉松選手參加了10公裡的比賽，正常人在比賽中需要經過一段時間就從路人手中接過水瓶進行水分補給。中繼通信扮演的就是路人的角色，它為能量即將損耗完的量子密鑰補給能量，好讓它繼續傳播下去。

該想法確實不錯，而且在現實中也得到了應用，前幾年我國就利用該方法實現了7600公裡的洲際量子通信。但這種方法還是存在安全漏洞，如果中繼通信的技術掌握在其他國家手裡，那麼到了中繼站的量子密鑰則有可能被盜取。因此在2017年我國實現了突破千裡的量子糾纏分發後，中國科學技術大學的科學家潘建偉產生了新想法。

由量子糾纏引發的思考，基於量子糾纏的量子密鑰分發可行否？

首先來了解一下量子糾纏的概念，它指的是兩個或多個粒子之間不管距離有多遙遠，在相互作用之後原本各自的獨立特徵就會形成綜合特徵，因此科學家可以通過測量其中一個粒子的狀態來獲知其他距離遙遠粒子的狀態。潘建偉正是想到了在量子糾纏的基礎上進行量子密鑰分發。

在初期理論中，基於量子糾纏的量子密鑰分發會使得接受雙方的密鑰都擁有綜合特徵，因此其中一方只需要測得該方特徵就能獲知另一方特徵，但在密鑰分發過程中該方法失效。即使量子糾纏是由第三方發起的，接收方只要測得密鑰的特徵，同樣能夠獲取密鑰中的信息。這種方式消除了第三方盜取量子密鑰的可能性，從而極大提高分發安全性。

該研究發現意味著什麼？量子密鑰分發下一步將往哪走？

經過多團隊、多位科學家的研究之後，基於量子糾纏的量子密鑰分發的方案正式確定。該基礎理論落地後，該龐大的研究團隊先後經歷了設備的更新、技術方法的改善，建立了一條從烏魯木齊到青海長達1120公裡的光鏈路，並最終以每秒鐘0.12比特的成碼率實現了量子密鑰的分發。

綜上所述，該研究團隊打破了以往對量子通信的思維方式，將量子糾纏應用到量子密鑰分發中，將「墨子號」原本的中繼通信角色轉化為「量子糾纏源頭」的角色。對於他們的研究和發現，《自然》期刊的審稿人表示這是人類量子通信領域一座重要的裡程碑，它將可能叩開量子通信從實驗室走向實際應用的大門。

目前基於量子糾纏的量子密鑰分發能以每秒鐘0.12比特的速度生成，但以這種速度投入到實際應用中還遠遠不夠。因此中國量子密鑰下一步將朝著提高密鑰成碼率的方向發展，使其提升到每秒鐘十幾比特、幾十比特，到那時相信人們會更加了解量子通信，也會體會到量子通信的優勢所在。