量子通信：无法破译的密码

    公元前405年，斯巴达和雅典之间的战争已进入尾声。此时，斯巴达军队捕获了一名从波斯帝国回国的雅典信使，从他身上搜出一条布满杂乱无章的希腊字母的普通腰带。统帅莱桑德无意中把腰带呈螺旋形缠绕在剑鞘上时，奇迹出现了——毫无规律可循的字母竟然组成了一段文字。原来波斯帝国密谋在斯巴达军队发起最后攻击时，对斯巴达军队进行突袭。获悉情报后，斯巴达军队改变了作战计划。

    这就是世界上最早的密码情报。2400多年来，密码在军事、外交、经济等领域得到了广泛的应用，而密码学也得以飞速发展。

    时至今日，“密码”一词已与人们的日常生活密不可分，电子邮箱要设密码，银行取款要按密码，计算机登录要输密码，开启保险箱要用密码……然而，尽管经历了手工加密、机器编码、计算机编码等不断升级的过程，密码变得越来越复杂、越来越可靠，但是“道高一尺魔高一丈”，对于密码的破译从来都和密码的升级如影随形。换句话说，无论什么样的高级密码，都有被破解的可能。

    那么，有没有一种绝对安全可靠，不能被破译的密码存在呢？现代量子信息理论与实验的快速发展使这一切变成可能。

    一般而言，保密通信都可以分为“加密”“接收”“解密”三个过程，发送者将发送内容通过某种加密规则（密钥）转化为密文，接收者在接到密文后采用与加密密钥匹配的解密密钥对密文进行解密，得到传输内容。

    量子保密通信的过程也是相同的，只不过作为加密和解密的密钥不再是传统的密码，而是改用微观粒子携带的量子态信息。这一看似微小的变化，却使密钥的安全性产生了翻天覆地的变化。

    “古人在信封上用火漆封口，这样一旦信件被中途窃取拆开，就会留下泄密的痕迹。”中国科大潘建伟院士打比方说，“量子密钥在量子通信中的作用就像火漆一样，但比火漆更彻底。一旦有人试图打开信件，量子密钥会让信件自毁，并让使用者知晓。这样，窃听者不但窃听不到量子电话的通话内容，还会暴露自己。所以，从原理上说，无论是现在还是将来，无论破译者掌握了多么先进的窃听技术、多强大的破译能力，只要量子力学规律成立，量子保密通信就无法被破解。”

    国际竞争愈加激烈

    1984年，IBM华生实验室工程师本奈特和布拉萨德提出全新的通信协议，叩开量子保密通信的大门。此后，西方发达国家，特别是欧盟、美国和日本均投入了大量人力、物力进行量子通信的理论和实验研究。

    在这一过程中，科学家们克服了重重难关。比如，科学家发现，虽然有了完备的密钥分发协议，但如何产生真正的单个光子，如何减少光子信号在传输过程中受光纤和周围环境的干扰而损耗等问题，始终是量子通信实际应用时的困扰。

    近十几年来，量子通信的距离和速率都有了飞跃式的提升，通信距离已经超过了200公里。一些小规模的量子通信试验网已经建成，验证了量子通信技术网络化的可行性，并在国家安全、金融等信息安全领域开始发挥作用。2004年，奥地利银行成为世界上首个采用量子通信的银行，利用该技术，一张重要支票被从市长处传至银行；2007年，瑞士全国大选的选票结果传送时也采用了量子保密通信技术，以保证结果的绝对安全。

    很显然，下一步的国际竞争将更加激烈，人类将致力于将量子保密通信向更远距离和更大规模的广域网络发展。为此，欧盟《量子信息处理和通信：欧洲研究现状、愿景与目标战略报告》提出了欧洲量子通信的未来发展目标，将重点发展量子中继和卫星量子通信，实现千公里量级的量子密钥分发；欧洲空间局则计划在国际空间站上的量子通信终端与一个或多个地面站之间建立自由空间量子通信链路，演示量子密钥全球分发的可行性；日本国立信息通信研究院则计划在2020年实现量子中继，到2040年建成极限容量、无条件安全的广域光纤与自由空间量子通信网络；而美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的理查德·休斯及其研究伙伴们近日表示，在过去几年中他们一直在悄悄创建一套辐射状的量子互联网。

    “中国军团”后来居上

    在量子保密通信这场国际化竞争中，我国尽管属于后来者，但起点高，进展快，在应用研究的多个方面已经达到了世界先进水平，其中在城域量子通信关键技术方面已经达到了产业化要求，产业化预备方面与欧美处于同等水平状态。

    在量子通信技术的网络化研究方面，中国科大潘建伟小组于2008年建成光量子电话网，实现了“一次一密”加密方式的实时网络通话，真正做到了“电话互联互通、语音实时加密、安全牢不可破”的量子保密电话网络系统，使得我国在实用化量子网络通信研究方面在国际上走在了前列。这一成果早于欧洲科学家发布的SECOQC网络，一经发表即在国内外产生良好反响，美国《科学》杂志以“量子电话”为题进行了报道，并评论道：“有了这样的演示，量子私密进入千家万户不会是很遥远的未来”。2009年，中国科大郭光灿小组在安徽省芜湖市建成了“量子政务网”。

    2012年初，基于潘建伟小组的研究成果，世界上规模最大的46节点的量子通信试验网在安徽省合肥市建成，标志着大容量的量子通信网络技术已经取得了关键突破；与此同时，新华社和中国科大合作建设的金融信息量子通信验证网在北京开通，在世界上首次实现了利用量子通信网络对金融信息的安全传输。

    潘建伟小组还在量子存储和量子中继器技术研究方面处于国际领先地位，2008年，该小组通过纠缠交换实现了由300米光纤相连的两团冷原子气体的量子纠缠，完美地构建了量子中继器的一个基本节点，向远距离量子通信迈出了重要的一步。2009年，该小组又将量子存储的时间提高到毫秒量级，较之前最好的结果提高了两个量级。2012年，该小组成功实现了3.2毫秒的存储寿命及73%的读出效率的量子存储，为目前国际上量子存储综合性能指标最好的实验结果。

    量子卫星实现“全球通”

    科学家们认为，量子保密通信技术的实际应用将分三步走：一是通过光纤实现城域量子通信网络；二是通过量子中继器实现城际量子通信网络；三是通过卫星中转实现可覆盖全球的广域量子通信网络。目前，我国量子保密通信技术在城域网上的使用已基本成熟，可以推广——连接北京和上海的千公里光纤量子通信骨干网工程“京沪干线”已正式立项，有望在两到三年内投入使用。

    但由于光子易被信道吸收，光纤量子通信很难突破百公里量级传输距离的限制，因此要实现广域的量子保密通信，还需要借助卫星。这主要是因为大气对某些特定波长的光子吸收非常小，而且大气层以外几乎是真空，因此量子信息的携带者光子在外层空间传播时几乎没有损耗，如果能够在技术上实现纠缠光子在穿透整个大气层后仍然存活并保持其纠缠特性，就有望克服光纤传输的弱点，甚至可以覆盖全球。

    目前，潘建伟团队作为在国内惟一开展星—地自由空间量子通信实验研究的团队，牵头组织了中科院战略先导专项“量子科学实验卫星”，计划在2016年左右发射量子科学实验卫星，在此基础上将实现高速的星地量子通信并连接地面的城域量子通信网络。

    2005年，他们在世界上第一次实现了13公里自由空间量子通信实验，突破了等效大气层厚度，证实了星—地量子通信的可行性；2009年，他们又在八达岭长城附近成功实现了16公里的自由空间量子隐形传态；2012年，他们在青海湖完成了百公里自由空间量子态隐形传输与纠缠分发实验；2013年，他们在国际上首次成功实现了星地量子密钥分发的全方位的地面验证，验证了星地之间安全量子信道的可行性，为实现基于星地量子通信的全球化量子网络奠定了坚实的技术基础。

    随着量子通信技术的产业化和广域量子通信网络的实现，在不久的将来，作为保障未来信息社会通信安全的关键技术，量子保密通信将有望走向大规模应用，极有可能会进入千家万户，服务于大众，成为电子政务、商务、医疗，生物特征传输和智能传输系统等各种电子服务的驱动器，为高度信息化的社会提供基础的安全服务和最可靠的安全保障。（本报记者 李陈续 通讯员 蒋家平）