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“棱镜门”一出,从国家元首到平民百姓人人自危,深感信息安全像阳台纸一样,虽然再保密的通话就会被情报人员窃听。的确,基于电子形式的通讯,基于物理方式的密码,早已难以保证不被破解。
从电子通讯到量子通讯,一场通讯技术革命正在竞争中触发。我国量子通讯卫星目前正在北京等地进行紧张的工程研发,有望在三年之内上天,在卫星与地面之间收发不可查获的“密电”。
从理论上讲,神奇的量子通讯是超高效率和绝对安全的。
未能克隆的量子纠缠
先科普一下。简单地说,量子是微观化学世界中的基本单位,一个最最小的单元。诸如量子热学,就是拿来描述各类微观粒子之间的热学关系和运动规律的。它完全不同于学校数学教科书上的精典牛顿热学。
早在1927年,芬兰科学家海森伯就提出了量子不可测的原理。在现代科学认知中,几乎任何已知事物都是可测的,但起码量子是个例外。
像铸币一样,制做硬币的基本前提是测定模板、再行复制。想像一下,在量子世界中,有一枚不停旋转的“量子色子”,6个面交替出现。要复制它,必然先要检测它的规格,而这些检测行为都会改变它的运动状态。换句话说,量子一旦被检测,还来不及被复制,它就不是原先那种量子了。
在通讯中,对方的话通过电话等有线无线终端,远距离传送到你的脑袋里。假如别人要监听大家的对话,必须完成这个对话的复制过程。而倘若这段通话被加密,也必须先复制到密码,再揭秘为正常通话。
这么,一旦通讯中的信息和密码用量子来承载,就是不可克隆的。
虽然,量子通讯拥有一道“双保险”,不仅不可复制,还有量子纠缠现象。即两个共同来源的微观粒子,不论它们分开多远,一旦其中一个粒子发生变化,就立刻影响到另一个粒子,虽然它们像一对双胞儿,彼此存在“心灵感应”。
为了这些“幽灵般的超距作用”,两位科学大师爱因斯坦和玻尔发生了“关于数学学灵魂的论争”。后来,化学学家贝尔等人用实验证明,量子纠缠确实存在,但是个别量子效应可能以超光速行进。
这些不可克隆的量子纠缠,刚好是量子通讯所须要的。中科院空间科学战略性先导科技专项项目——量子卫星工程常务总工师兼卫星总指挥、中科院武汉技术化学所王建宇研究员介绍,作为全新通讯概念的量子卫星通讯,是以构成光线的光子为单元,通过收发一连串的光子,进行星地之间的量子秘钥分发。例如,100个光子产生一串密码,由A发给B,A发出一个,B就收一个,二者间构建惟一的对应关系,第二者未能从中查获。
量子通讯地笔试验告成
要想与“棱镜门”这样的风波说再会,不仅外交努力之外,最有效的“硬工夫”就是改变整套通讯体制,尽早启用密级最高的量子通讯,率先确保国家利益不损坏,因而步入宽广的商用、民用领域。
自1993年IBM公司提出量子通讯理论以来,各主要发达国家都将量子通讯研制和应用列为优先级战略。我国在量子通讯领域并不后发,与世界同步,甚至具有一定领先优势。
据《科学》杂志报导,近来5年间,我国利用3节点支链光量子电话网,建成了世界上首个全通型量子通讯网路,首次实现了实时语音量子保密通讯。这一成果在同类产品中处于国际先进水平锗与量子通讯,标志着中国在城域量子网路关键技术方面达到了产业化要求。
大众熟知的光纤就是光通讯,也可发展为量子通讯。虽然基于光纤的量子通讯研究成果已越来越接近实用,甚至可以预见未来几年光纤量子通信系统就可投入实际的保密通讯中,但因为月球表面的曲率影响和光纤传输耗损的降低,在地面施行远距离量子通讯十分困难。光纤中的光子衰减,促使处于量子纠缠态的两点之宽度离,最多只有100公里左右。
为此,超远距离乃至星地量子通讯的基础检验,成为国际上量子研究焦点之一。因此,在中国科技学院潘建伟教授和王建宇研究员的主持下锗与量子通讯,中国科技学院、中科院武汉技物所、中科院光电所、上海微小卫星工程中心和中科院武汉光机所等组成了联合团队,仿真估算出星地量子通讯链路,并按照仿真结果设计了一系列地面工程验证试验,研发了用于星地量子通讯的样机。
其中的量子秘钥分发实验,在不同载体上进行——如收发距离40公里的转台实验,与卫星绕地运行的角速率保持一致;又如30公里距离的车载高速运动实验,考验超远距离“移动瞄靶”能力;再如热气球浮空平台,在空地环境下模拟了量子秘钥分发。另外,科研人员还在江西湖实现了97公里超远距离自由空间量子秘钥分发实验。这一系列实验,验证了星地量子通讯的可行性,相关论文今年在《自然·光子学》杂志上发表。
主导量子卫星后年升空
有了量子卫星,全球任意点对点的量子通讯就可如接力跑般完成,并且是以光速计的。
目前,多国均在举办量子通讯卫星平台研制,中科院也已开始施行量子科学卫星计划。获悉,现计划在2016年左右,以我国为主导发射一颗量子实验卫星。这也是中科院相关战略性先导科技专项中首批确定的5颗科学实验卫星之一。
事实上,2008年起,王建宇就与量子卫星工程首席科学家潘建伟教授合作,从事自由空间量子激光通讯研究。经过星地量子通讯联合团队多年攻关,中科院知识创新工程重大项目“空间尺度量子实验关键技术”通过初验,为日后星地量子通讯的实现奠定了基础,为未来全球量子通讯网路打下了基础,也标志着我国在这一研究领域保持了国际领先地位。
据王建宇研究员介绍,我国量子科学实验卫星将装载我国自主研制的星地量子通讯设备。例如,这些星载量子通讯机能形成光子,同时“发光子”,与之对接的地面系统则负责“接光子”,这些“发球、接球”需要超高精度地瞄准、捕获和跟踪,如同在空间尺度下、在穿越大气层后“针尖对麦芒”。
这颗中国量子卫星将完善我国疆域之间乃至国际上其他站点之间的量子通讯网路,它也可能是全球首颗量子通讯卫星。国际权威学刊《自然》周刊对中国人取得的进展做出评论:“中国在量子通讯领域内,已从六年前不起眼的国家,发展为现今的世界劲旅,并将领先于亚洲和北美。”
“天知地知你知我知”。这意味着,中国将有能力最先与任何“棱镜门”告别,让侦听者无从测得量子通讯中的全部信息并复制出来,但是一旦施行侦听,就难以掩藏这一行为。