8月16日凌晨1時(shí)40分,由我國科學(xué)家自主研制的世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗衛星“墨子號”搭載長(cháng)征二號丁運載火箭在酒泉成功發(fā)射,全球將首次實(shí)現衛星和地面之間的量子通信。這顆衛星的發(fā)射高度大約500公里,并由“墨子號”和兩個(gè)地面接收點(diǎn)形成到目前為止跨度最大、最安全的量子通信網(wǎng)絡(luò )。
幾乎在一夜之間,世界知道中國發(fā)射了一顆特別厲害的衛星——“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗衛星。國際學(xué)術(shù)界著(zhù)名的《自然》網(wǎng)站相關(guān)報道說(shuō),在這場(chǎng)“特殊的太空競賽”中,中國“邁出了一大步”。
護航信息安全
今年4月,歐盟宣布將量子技術(shù)作為新的旗艦科研項目,迎接“第二次量子革命”;7月,美國建議加大對量子信息科學(xué)的投入,稱(chēng)這是“國家的挑戰與機遇”。
“量子技術(shù)”是什么?法國《歐洲時(shí)報》稱(chēng),許多并不了解該技術(shù)的人們總是覺(jué)得這是一種以光速傳播信息的顛覆性黑科技,甚至有人認為實(shí)現太空中的星際即時(shí)通信已經(jīng)變?yōu)榭赡芰?。而?shí)際上這與量子通信這門(mén)技術(shù)的真正本質(zhì)相去甚遠。量子信息是量子物理與信息技術(shù)相結合發(fā)展起來(lái)的新學(xué)科,主要包括量子通信和量子計算兩個(gè)領(lǐng)域。量子通信主要研究量子密碼、量子隱形傳態(tài)、遠距離量子通信技術(shù)等;量子計算主要研究量子計算機和適合于量子計算機的量子算法。中美兩國恰好是選擇了兩個(gè)不同的方向:中國對量子通信情有獨鐘,美國對量子計算心儀已久。
量子技術(shù)目前最受關(guān)注的領(lǐng)域是信息加密。有信息指出,量子科學(xué)為信息安全提供了“終極武器”,此次在“墨子號”量子衛星上搭載了“四種武器”:量子密鑰通信機、量子糾纏發(fā)射機、量子糾纏源和量子試驗控制與處理機。
量子衛星項目首席科學(xué)家、中國科技大學(xué)常務(wù)副校長(cháng)潘建偉院士接受媒體采訪(fǎng)時(shí)表示,量子衛星將從太空向地面傳輸加密密鑰,同時(shí)揭示量子糾纏的科學(xué)現象。量子通信的安全性基于量子物理的基本原理,即單光子的不可分割性和量子的不可復制性,從而保證了信息的不可竊聽(tīng)和不可破解,可以從根本上永久性解決信息安全問(wèn)題。
當前,量子計算給保密帶來(lái)了巨大挑戰。中科院量子卓越創(chuàng )新中心教授陸朝陽(yáng)接受媒體采訪(fǎng)時(shí)表示,現在國防、金融等領(lǐng)域廣泛使用的通信密碼都是基于數學(xué)上的計算復雜度,等到大規模量子計算機真正面世的時(shí)候,在超強的計算能力面前,這些密碼系統就都會(huì )失效。打個(gè)比方,量子計算便如可攻破一切傳統保密系統的“利矛”。
“上帝關(guān)閉了一扇門(mén),但又打開(kāi)了一扇窗,”陸朝陽(yáng)說(shuō),同樣源自量子理論的量子通信技術(shù)又為保密提供了新手段。它的基礎是物理規律,比如在用一個(gè)光量子傳遞信息時(shí),由于單光子已是最小單元,竊聽(tīng)者無(wú)法通過(guò)截取“半個(gè)光子”來(lái)獲取信息;而竊聽(tīng)者試圖對這個(gè)光子的狀態(tài)進(jìn)行測量時(shí),量子測不準原理又導致這個(gè)光量子的狀態(tài)發(fā)生改變,這使竊聽(tīng)必然被察覺(jué)并被通信雙方規避??陀^(guān)物理規律是沒(méi)有人能改變的,也就是說(shuō),量子通信成為保密領(lǐng)域新的“堅盾”。
產(chǎn)業(yè)應用廣泛
量子通信技術(shù)與現有的傳統通信方式有什么區別?傳統的通信方式,比如無(wú)線(xiàn)、寬帶等,好用、速度快,但在信息傳輸中存在安全問(wèn)題,而量子通信在傳輸途徑中可以完全確保信息安全。近年來(lái),量子通信因其傳輸高效和絕對安全等特點(diǎn),被認為是下一代通信和計算機技術(shù)的支撐性研究。
潘建偉認為:“從原理上來(lái)說(shuō),量子通信是無(wú)條件安全的通信方式。”由于量子具有不可分割、狀態(tài)不可克隆的特性,將其作為信息載體就可以實(shí)現抵御任何竊聽(tīng)的密鑰分發(fā),進(jìn)而保證傳輸內容的絕對安全。
隨著(zhù)我國研制的世界首顆量子通信衛星的發(fā)射,加上量子保密通信“京滬干線(xiàn)”、“京杭干線(xiàn)”的建成開(kāi)通,一個(gè)“天地一體化”的量子通信網(wǎng)絡(luò )將初步形成,也意味著(zhù)自上世紀80年代起,歷經(jīng)30多年的量子信息研究,終于走向實(shí)用。
在首顆量子通信衛星發(fā)射后,我國還將陸續發(fā)射多顆量子衛星,力爭在2020年實(shí)現歐洲和亞洲之間的洲際量子保密通信,在2030年前后率先建成全球一體化的廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò )。
中科院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng )新中心、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院副研究員張文卓撰文表示,之所以要發(fā)射量子衛星,是因為基于衛星等航天器的空間量子通信,有著(zhù)地面光纖量子通信網(wǎng)絡(luò )無(wú)法比擬的優(yōu)勢。例如,可以突破很多地方無(wú)法鋪設量子通信的專(zhuān)用光纖的障礙。
從目前的應用領(lǐng)域來(lái)看,量子通信的商用性主要體現在數據保密上,比如網(wǎng)上銀行數據的遠程災備應用、金融機構信息數據的采集應用、金融信息交易應用以及銀行同城數據生產(chǎn)和災備應用等。由于成本較為高昂,量子通信的應用范圍還比較有限,主要是以對數據保密安全性要求較高的用戶(hù)為主。
業(yè)內人士表示,下一步,行業(yè)應用將會(huì )成為重點(diǎn)。從產(chǎn)業(yè)應用的時(shí)間周期來(lái)看,目前量子通信的應用還處于早期階段,主要受制于地面上的量子通信干線(xiàn)布局有限。而伴隨著(zhù)今年下半年,“京滬干線(xiàn)”、“滬杭干線(xiàn)”等地面光纖量子通信網(wǎng)絡(luò )將建成,將逐步豐富地面量子通信網(wǎng)絡(luò )的建設。
雖然量子科學(xué)實(shí)驗衛星成功發(fā)射,但從長(cháng)遠來(lái)看,“要實(shí)現全球化量子通信還需要長(cháng)期的努力,特別是需要多顆衛星的組網(wǎng)”,量子科學(xué)實(shí)驗衛星科學(xué)應用系統總師兼衛星系統副總師彭承志接受媒體采訪(fǎng)時(shí)表示,中國以開(kāi)放的姿態(tài)歡迎全球合作。