中國量子通信技術將保持10到15年世界領先,到底什麼是量子通信?

2020-09-24 九弓子

全球自工業革命以來,各類科學技術已經被大家熟知並廣泛應用。我國由於歷史原因,眾多科技領域並未佔有世界級的一席之地。

而如今中國經濟崛起,不僅早在幾十年前擁有了兩彈一星等多種拳頭類科技產品。更在高鐵為代表的多個民用項目上,研發出了世界領先的獨有成果。

量子通信技術

就是一個全世界獨我中國一家的科學技術成果。據中國科學報10月12日報導,日前,在量子保密通信「京滬幹線」技術驗證及應用示範活動現場,「京滬幹線」項目首席科學家、中科院院士潘建偉表示,目前中國量子通信技術領先國際相關技術水平5年,並將在未來10到15年持續保持領先。

「京滬幹線」/圖片來自中國科學技術大學網站

潘建偉表示,目前日本、歐洲都已啟動量子通信研究計劃,但在數量級、時間、空間等層面,中國量子通信技術均領先國際相關研究四五年,並將在未來很長一段時間內繼續保持領先。

「下一步我們走得非常快,地面試驗證明,將來發射量子衛星白天也可以工作;通過計算,未來高軌衛星也可以工作。」潘建偉表示,至少在未來10到15年內,我國量子通信技術會一直保持國際領先水平。

據介紹,此次京滬幹線技術驗證,是在合肥、濟南等地相繼建立城域量子通信網絡後開展的。在驗證相關技術的同時,研究團隊還徵集了銀行等相關用戶的具體需求,將技術驗證與應用示範緊密結合,成功渡過了產業轉化中的「死亡之谷」。

雖然國內量子通信技術發展迅猛,但潘建偉也強調,量子通信技術實現廣泛應用還需要一定時間。「我們希望在國家支持下,由中科院牽頭建立一個覆蓋全國的多橫多縱量子網絡。」潘建偉表示,通過技術發展大幅降低成本,量子通信技術有望「再過10到15年,進入千家萬戶」。

到底什麼是量子通信

百度百科簡介:

量子通信是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式。量子通訊是近二十年發展起來的新型交叉學科,是量子論和資訊理論相結合的新的研究領域。量子通信主要涉及:量子密碼通信、量子遠程傳態和量子密集編碼等,近來這門學科已逐步從理論走向實驗,並向實用化發展。高效安全的信息傳輸日益受到人們的關注。基於量子力學的基本原理,並因此成為國際上量子物理和信息科學的研究熱點。

百科原理圖

有沒有一種看不懂中國字的感覺?沒關係,下面就用最通俗的方式,解釋一下什麼量子通信。

首先要了解傳統通信方式

諜戰片傳統通信

我們都知道現在有線通信主要有兩類介質,電纜和光線。我們在一些諜戰片裡都看過,為了竊聽對方的電話,間諜直接爬上電線桿,然後把竊聽設備接頭插在電線上,就能截獲電話信息。

竊聽原理圖

如圖所示,其中Alice為發送者,Bob為接受者,二者為合法用戶。但系統中存在竊聽者Eve,在電纜通信中,Eve只需要把類似萬用表或者示波器一樣的東西,接在Alice和Bob之間的電纜上,便能夠輕鬆且聽到所有信息。這個手段最恐怖的地方在於,竊聽者Eve並不會改變和影響信息的信號,包括波形和強度。

這樣會導致Bob根本無法發現竊聽者Eve的存在。同樣,對於光纖通信,也存在類似的問題。

光線彎曲竊聽示意圖

上圖便是一種典型的光纖竊聽方案,現在國內外已經有很多此類產品。原理是通過將光纖彎曲,使得部分光信號外洩,並被相應的探測器探測到。而由於光纖損耗會受到環境因素,例如溫度,壓力的影響,導致光纖損耗本來就是飄忽不定的。因此,竊聽所導致的損耗會淹沒在環境變化裡,無法被接收端Bob察覺。

所以總結一下,電纜通信和光纖通信存在兩個問題:

  1. 竊聽手段簡單

  2. 竊聽者無法被察覺

而目前的重要通信紛紛是加密的,而大家心知肚明,不論何種加密方式。在計算機飛速進化的今天,被破解都是目前加密手段的最終下場。

而量子通信的加密手段,在理論上是完全不可能被破解。

那憑什麼說量子通信更加安全?

因為量子通信的密碼不是預先規定死的,而是在通信過程中隨機產生的

量子是啥?

量子是什麼

為何量子通信的密鑰是隨機的呢?因為相關知識太多,這裡就打一個比方。來自百度知道。

比方說,中國要發送情報給美國,於是派了一個信使乘飛機過去。

這個信使從一盒撲克裡隨機抽取了一部分紙牌帶在身上。

(可以認為信使帶的撲克和剩下的撲克處於糾纏態,因為只要查看一方就能知道另一方,但如果不查看撲克,撲克的狀態就是隨機的。)

等信使到了美國,然後聯繫中國說「我到了,請發信息過來吧」,於是中國一方用那盒撲克裡剩下的紙牌做密鑰把情報加密,發送過去。在信使查看紙牌前,誰也不知道紙的狀態,但當他一打開紙牌(塌縮),他同時也就知道了中國那邊紙牌的內容,也就是密鑰。這樣情報接收方便可以解密收到的信息,獲得情報。

在這個過程中,如果有第三方進行破壞,比如在半路搶走信使的撲克牌(密鑰),或者對通信進行偵聽,他都無法得到情報的內容。

整個通信過程中並不存在瞬間(超光速)傳輸,也不存在一方撥動某個東西另一方也會跟著變化這種事情。實現量子通信的難點僅僅在於信使的傳遞。

在這個比方中,還存在一些理論上偏差,具體相關知識,還需要去了解一隻全世界最慘的貓的故事。

薛丁格的貓。

大概解釋到這裡就足夠了,量子通信最大的優勢就是保密,並且超光速通信。

筆者在收集信息並整理的時候,發現自己的智商不足以完成這個題目的解釋。即便網上有很多大神提供了很簡單的漫畫解釋,但內容仍然晦澀難懂。

所以作為普通用戶,我們就期待到時候我們國家將這個技術應用到民用的時候,共同享受新時代的便捷吧!

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