【科技日報】量子通信:讓信息傳輸無條件安全
2020-11-29 中國科學院
「墨子號」開展量子密鑰分發，2017年5月攝於烏魯木齊南山，多張照片合成了衛星過境全貌。中科院供圖
全國政協十三屆一次會議首場「委員通道」3月3日在人民大會堂北大廳舉行。全國政協委員、中科院院士、中國科技大學常務副校長潘建偉在「委員通道」表示，量子通信原理上可以提供一種不能破解、不能竊聽的安全信息傳輸方式，它在國防、政務、金融、個人信息保護等方面都起到了積極的作用。通過未來5—10年的努力，我們希望能夠構建一個天地一體化的量子保密通信網絡，來保護千家萬戶的信息安全。
從理想王國走到了現實王國
2018年1月21日，「2017科技盛典」頒獎典禮在央視演播大廳隆重舉行。潘建偉領銜的「天地一體化廣域量子通信技術研究團隊」入選年度科技創新團隊。中國科學院院長白春禮為該團隊頒獎。
「天地一體化廣域量子通信技術研究團隊」經過長達10餘年的協同攻關，取得了天地一體化廣域量子通信技術的重大突破。自主研製了世界上首顆量子科學實驗衛星「墨子號」，在國際上率先實現千公裡級的星地量子通信，圓滿實現全部既定科學目標；國家量子保密通信「京滬幹線」通過總技術驗收，使得我國的量子通信研究水平全面處於國際領先地位。結合「京滬幹線」與「墨子號」的天地鏈路，中國和奧地利之間在國際上首次成功實現了距離達7600公裡的洲際量子密鑰分發，標誌著天地一體化廣域量子通信網絡雛形已經形成。用潘建偉的話說，千公裡級的星地雙向量子通信，終於「從理想王國走到了現實王國」。
上面提到的「量子通信」，是利用量子比特作為信息載體來傳輸信息的通信技術，可在確保信息安全、增大信息傳輸容量等方面突破經典信息技術的極限。量子通信有兩種最典型的應用，一種是量子密鑰分發，另一種是量子隱形傳態。量子密鑰分發克服了經典加密技術內在的安全隱患，是迄今為止唯一被嚴格證明是原理上無條件安全的通信方式，可以從根本上解決國防、金融、政務、商業等領域的信息安全傳輸問題。
這聽上去「玄而又玄」的「黑科技」正影響改變著我們的現在和未來——我國科學家自主研製的量子通信裝備，已經為60周年國慶閱兵、黨的「十八大」「十九大」、紀念抗戰勝利70周年閱兵等國家重要政治活動提供了信息安全保障。中國銀監會銀行業監管信息報送、中國人民銀行人民幣跨境收付信息管理系統、中國工商銀行網上銀行數據異地災備系統、阿里巴巴商業數據加密傳輸等等，用的都是量子保密通信技術。
堪比萬米高空向儲錢罐裡扔硬幣
中國量子通信團隊取得了舉世矚目的重要成果，在這當中他們遭遇了怎樣的技術難題？
潘建偉介紹說，在量子通信技術的研發過程中，首先要面對的是製備單個光量子的技術難題。他舉了一個非常形象的例子，來解釋這一關鍵技術的難度：一個普通的15瓦左右的燈泡每秒鐘輻射出的光量子個數可達百億億個，想要實現單個光量子的製備就如同在這百億億個光量子發射出來的瞬間捕捉到其中的某一個，技術難度可想而知。另一個難題是單光子的探測。單個光子已經是光能量的最小單元，能量是非常微弱的，需要發展出非常精密和高效的單光子探測技術。具備了單個光量子的製備和探測能力後，才能夠實現安全的量子通信。這僅僅指的是地面上的量子通信，而要實現量子衛星與地面的星地通信難度更可想而知。
「簡單地講幾件事情，你會大致明白究竟有多難。」 量子通信技術研究團隊王建宇教授細數了「墨子號」衛星的種種難關，「舉個例子，要從1000公裡的高度把一個個光子發射到地面站，這就好比在萬米高空高速飛行的飛機上，同時向地面兩個旋轉的投幣口細長的儲蓄罐扔進一個個硬幣。儲蓄罐的投幣口是細長的，相當於光的偏振，它是有方向的，硬幣要把方向對好才能扔進去，而且不是扔一個，要兩邊同時都扔準才行。」王建宇說，他們做過一個計算，一根火柴劃一下大概有1017個光子，而衛星地面站的探測能力，相當於在地球上的人不用任何儀器，要發現在月亮上有人劃了一根火柴。「此外，還要在每秒一億個光子裡面，搞明白我們探測到的是第幾個光子，這些光子都是排好隊的，抓一個就要知道它是第幾個，這樣才能用來做密鑰。而這對於量子通信的諸多難題而言，只是非常簡單的一個小細節。」王建宇說。
爭分奪秒鋪就量子通天長路
面對這一深刻影響未來的科技競爭，傳統科技強國都在積極整合各方面的研究力量和資源，力爭在量子信息技術大規模應用方面佔據先機。
全球最大的獨立科技研發機構美國Battelle公司提出了商業化的廣域量子通信網絡規劃，並考慮建造環美國的萬公裡量子通信骨幹網絡，為谷歌、IBM、微軟、亞馬遜等公司的數據中心之間提供量子通信服務；韓國SK電訊提出了環韓國量子通信幹線規劃；俄羅斯也計劃投資量子通信…….
為此，我國進一步發力。國家發改委最近正式啟動國家廣域量子保密通信骨幹網絡建設項目，計劃通過10年左右的努力，建成面向「一帶一路」、服務國家戰略需求、規模最大、技術最先進的總裡程約3.5萬公裡的量子保密通信網際網路。
中科院在前期基礎上，進一步整合統籌全國高校、科研院所和相關企業的創新要素和優勢資源，最終形成聚焦國家長遠目標和重大需求的原創性、集成性科技創新成果，培育形成戰略性新興產業。
2018年，量子通信的未來已來，重任在肩，目標已定：
——研製中高軌量子通信衛星，量子密鑰分發量滿足機要部門業務化運行的需求；
——為新一代信息基礎設施「國家廣域量子保密通信骨幹網」的建設提供堅實的技術支撐，滿足金融、政務、電力、電信等行業專網應用需求，實現核心量子通信器件的全面國產化，形成系統性量子通信國家技術標準，參與並主導國際技術標準制定。
與此同時，面向構建覆蓋全球的量子通信網絡遠期目標，我國正計劃建設業務化運行的量子密碼衛星網絡，將發射多顆低軌量子通信衛星組成量子星座，提供覆蓋全球的量子密碼分發服務，量子保密通信服務將從二維平面擴展到三維空間，星地量子密鑰分發的實用化和規模化應用正加速到來。
誠如量子通信團隊的一幅新春對聯：前僕後繼展天地通信雄姿，爭分奪秒鋪量子通天長路。
聽，量子通信在敲門
《自然》：中國量子網際網路已遙遙領先外界評說
「在中國，有人稱他為『量子之父』。對於這一稱呼，潘建偉當之無愧。在他的帶領下，中國成為遠距離量子通信技術的領導者。」這是《自然》雜誌對入選2017年十大科學人物之一的、中國科技大學常務副校長潘建偉的描述。
《自然》新聞特寫代理主編布蘭登·馬厄表示，他們選出的十大科學人物，是過去一年裡對科學產生重大影響的10個人，從量子通信到基因組編輯，這些不同領域的科學家在2017年的科學史上留下了不可磨滅的印記，而他們將繼續影響科學。
《自然》雜誌的文章提到，潘建偉團隊在量子網際網路方面已遙遙領先。量子網際網路是由衛星和地面設備組成的網絡，可實現在全球共享量子信息，這將使牢不可破的全球信息加密成為可能。就目前而言，潘建偉團隊計劃發射第二顆衛星，並將在天宮二號空間實驗室開展一項新的太空量子實驗。該雜誌還援引美國馬裡蘭大學的量子物理學家Christopher Monroe的評價稱：潘建偉的過人之處在於能找到關鍵問題且敢於冒險，「擁有他是中國之幸」 。
（原載於《科技日報》 2018-03-11 05版）
相關焦點
-
無條件安全通信方式到來,「量子密話」開始試商用
從「墨子號」升空到「九章量子計算機原型」問世，雖然量子技術已是熱度不斷的「網紅」，但對很多人來說，它仍處神秘之地，包括量子通信。 量子物理學家、中國科學院院士潘建偉指出，量子通信本質上是量子密鑰的傳輸，利用量子糾纏可以將量子信息傳輸到另一個地點，而不是傳送信息載體本身，屬於被嚴格證明的「無條件安全通信方式」。 -
世界首條量子通信幹線京滬幹線開通 實現「無條件安全」通信
央廣網北京9月30日消息（記者潘毅）據中國之聲《新聞縱橫》報導，昨天（29日），世界上首條量子保密通信幹線「京滬幹線」正式開通。當我們用手機買買買的時候，不知道您有沒有憂慮過安全問題。雖然傳統的手機通訊都有算法加密做保障，但這份保障只能說是暫時安全。 -
無條件安全通信方式到來 "量子密話"開始試商用
從「墨子號」升空到「九章量子計算機原型」問世，雖然量子技術已是熱度不斷的「網紅」，但對很多人來說，它仍處神秘之地，包括量子通信。量子物理學家、中國科學院院士潘建偉指出，量子通信本質上是量子密鑰的傳輸，利用量子糾纏可以將量子信息傳輸到另一個地點，而不是傳送信息載體本身，屬於被嚴格證明的「無條件安全通信方式」。 -
量子通信觸達消費者
◎ 科技日報記者 劉豔新年伊始，量子信息技術在安徽省邁出民用關鍵一步，中國電信開始在安徽省內招募「量子密話」友好體驗客戶。量子物理學家、中國科學院院士潘建偉指出，量子通信本質上是量子密鑰的傳輸，利用量子糾纏可以將量子信息傳輸到另一個地點，而不是傳送信息載體本身，屬於被嚴格證明的「無條件安全通信方式」。 -
四問量子通信:迄今唯一被嚴格證明無條件安全的通信方式
通過網絡傳送一份保密文件，途中被他人竊取咋辦……現代社會，信息安全面臨的問題越來越多。有沒有一種不可破譯的保密方式，能讓傳送的信息絕對安全可靠？近些年來，量子通信技術的飛躍發展正讓夢想成為現實。製圖：張芳曼一問：什麼是量子？ -
【解放日報】量子通信「京滬幹線」今年建成
量子通信為何能從根本上解決通信安全問題？應用前景如何？記者日前走進中國科大上海研究院採訪了潘建偉院士、陸朝陽教授和上海國盾量子信息技術有限公司負責人。 基本原理：量子不可克隆 潘建偉說，講述量子通信的科學原理，還得從量子力學講起。這是一個與經典力學差異很大的物理學分支，是迄今為止描述微觀世界最準確的理論。 -
量子通信獲重磅會議點名!概念股全名單來了
概念股全名單來了） 財聯社（上海，研究員 高橋）訊，習近平在中央政治局第二十四次集體學習時強調，深刻認識推進量子科技發展重大意義加強量子科技發展戰略謀劃和系統布局。 -
【中國科學報】量子密碼:無條件安全的希望
信息安全，永無休止的博弈 古今中外，人們給信息加密的手段層出不窮，「加密」正是為了保護信息安全。而成功破譯軸心國的通信密碼，對盟軍的最後獲勝也起到關鍵作用。 「人類進入資訊時代，信息安全的重要性更加非同一般。」郭光燦指出，密碼系統的誕生，就是為信息安全保駕護航。然而，無論多麼高級別的密碼系統，都不可避免地遭受著被破譯的風險，「威脅無處不在」。 -
以量子之名守衛信息安全 啟科量子亮相2020年中國國際信息通信展覽會
工業和信息化部信息通信發展司處長黃業晶、中國信息通信研究院雲計算與大數據研究所副所長李潔、啟科量子信息技術研究院院長萬相奎等出席本次論壇並發表了重要演講。數字基礎建設是新基建的核心，網絡安全是數字基建的前提和保障。近年來網絡攻擊愈發猖獗，針對我國發起的APT攻擊事件持續曝光，攻擊規模和烈度逐年遞增，政府機關、能源、金融、交通、電信等重要行業領域關鍵信息基礎設施的網絡安全狀況日趨嚴峻。 -
【經濟日報】量子星辰照亮地球
千年夢想：不被破解的密碼 與經典通信不同，量子密鑰分發通過量子態的傳輸，在遙遠兩地的用戶共享無條件安全的密鑰，這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的無條件安全的通信方式 「不被破解的加密技術，是人類的千年夢想。而所有依賴於計算複雜度的傳統加密算法原則上都會被破解。」 -
潘建偉:未來量子通信可以大幅度提升信息安全水平
另外，我們聽到一些對於您量子通信研究的質疑，大眾對於量子通信的認知還相對模糊，請您解釋一下量子通信對大眾的意義和它的價值。謝謝。 全國政協委員、九三學社中央副主席、中國科學技術大學常務副校長、中科院院士 潘建偉：非常感謝你的提問。 -
【科技日報】量子通信,可以高深但拒絕高冷
簡單來說，多光子糾纏及幹涉度量就是根據量子物理原理提供的一種全新方式，對信息進行編碼、存儲、傳輸和邏輯操作，並對光子、原子等微觀粒子進行精確操縱，以確保通信安全和提升計算速度等方面可以突破經典信息技術的瓶頸。 但是要真正理解這段話，並不容易。第一個問題就是，量子物理原理是什麼？ -
「黑科技」量子通信技術助力電網安全
近日，國網杭州供電公司信息通信分公司通過引入「黑科技」量子通信技術，在原有的光纖通道上架設起專屬量子信道用於傳輸光量子信號，實現杭州供電公司應急指揮中心與亞運主場館等重要城區電力系統數據緊密互聯，實時接受杭州電網數據中心、保電現場數據，為2022杭州亞運會供電保障提供重要支撐。 -
量子通信技術助力「新基建」信息安全 | 趙勇
> 本文從信息安全的基礎——密碼技術發展的角度來看待量子通信這一新興技術的定位，也將從量子通信自身發展的角度來介紹其在「新基建」下信息安全領域的作用。數字基礎設施是「新基建」的重心和基礎，而信息安全是當前建設數字基礎設施的重要前提。以量子通信和量子計算為代表的量子信息技術是當前國際熱門的戰略性科技方向，我國在這一領域處於國際前列，特別是量子通信技術在信息安全領域已有較明確的應用模式，在國內外都受到了廣泛關注和大力推進。 -
我國將發全球首顆量子通信衛星!量子通信到底是啥?
什麼是量子通信？ 量子通信是根據量子力學原理，提供一種全新方式對信息進行編碼、存儲、傳輸和邏輯操作，並對光子、原子等微觀粒子進行精確操縱，以確保通信安全和提升計算速度等的通信方式。 而量子力學理論被認為是繼牛頓經典力學和愛因斯坦相對論後，人類科學的顛覆性發現。 -
量子通信 (3) | 未來科技
為此，資訊理論的祖師爺：克勞德.艾爾伍德.香農 (Claude Elwood Shannon)，那個提出了香農定理的男人，在數學上嚴格證明了：不知道密碼就絕對無法破解的安全系統，是存在的。；明密等長：密鑰長度至少要和明文（傳輸的內容）一樣長，破解者窮舉所有密鑰，相當於窮舉所有可能的明文。 -
量子通信讓「竊聽風雲」成為歷史,中國電信搶先布局為安全加碼
>（圖為中國電信副總經理張志勇（右）與國盾量子董事長彭承志（左）共同啟動「量子鑄盾行動」）量子技術保證通信「無條件安全」前不久，中共中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學習，這是時隔一年，前沿科技領域再度成為國家高層集體學習的內容。在量子信息技術中，具有代表性的是量子通信和量子計算。這也是各主要科技大國重點搶佔的戰略技術高地。 -
科學家完成神奇實驗 不傳輸粒子也能實現量子通信
本報記者 吳長鋒以日常生活的經驗，任何信息的傳輸都需要通過實物載體，如信件、電磁波等，即使是當前比較「火」的量子通信，也需要量子傳輸。然而，國際著名量子光學專家M. SuhailZubairy小組卻在4年前開了一個腦洞，提出一個與人們日常生活中形成的直觀認識相悖的「反事實直接量子通信」方案，即不需要傳輸任何粒子，就可以將信息傳遞出去。聽上去，是不是很匪夷所思？ -
什麼是量子安全通信原理？
摘要：量子安全直接通信是一種在量子信道中直接傳輸秘密信息的通信模式。量子安全直接通信改變了保密通信的體系結構，將現有保密通信的密鑰分發和密文傳輸雙信道結構改變為僅有一條量子直通信道的單信道結構，減少了洩露環節，提高了安全性。 -
全新量子通信，「黑客」也無可奈何的傳輸加密方式
這種改進的機制將改變我們傳輸敏感數據的方式，並且在這個網絡安全風險日益增加的時代，它將更好地保護人們的信息安全。通過物理原理的使用，量子通信在傳輸信息時變得更加安全，它使信息發送器和接收器可以通過量子共享加密的信息。