淺談量子通信發(fā)展
發(fā)布日期:2016/9/7 9:35:08 | 瀏覽次數(shù):10422 來(lái)源:特發(fā)信息副總經(jīng)理 羅濤一、何為量子通信
量子通信是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通訊方式，是近20年發(fā)展起來(lái)的新型交叉學(xué)科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。
通俗地說(shuō)，量子糾纏就像心電感應(yīng)。量子力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，宇宙中任何一個(gè)粒子都有“雙胞胎”，二者即使隔開整個(gè)宇宙的距離，也仍然一直保持同步同時(shí)同樣變化，這一對(duì)粒子同步同樣變化的狀態(tài)，就是量子糾纏態(tài)。利用這一原理，人們可以制備出一對(duì)糾纏粒子，把它們一個(gè)放在北京，一個(gè)放在上海，當(dāng)北京的粒子一動(dòng)，上海的粒子立刻就接收到信息，這就是量子通信。
二、量子通信行業(yè)發(fā)展
任何經(jīng)典通信都存在被竊聽的可能性。2015年《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)道，美國(guó)國(guó)家安全局被曝監(jiān)聽谷歌、雅虎用戶的通信，不需要侵入兩家公司的數(shù)據(jù)中心，只需截取光纜、電纜中傳輸?shù)男畔⒓纯�。這些跨國(guó)企業(yè)的數(shù)據(jù)中心分布在世界各地，用光纜和電纜相互連接，很多情況下傳輸信息并不加密，埋下了竊聽隱患。即便采用經(jīng)典加密手段，也不能確保信息安全。
與經(jīng)典通信不同，量子通信可以將信息編碼，加載到單個(gè)光子的量子疊加態(tài)的偏振方向上。單光子是光能量的最小組成單元，不能被再分割，量子狀態(tài)無(wú)法被精確復(fù)制，任何竊聽行為都會(huì)對(duì)其造成擾動(dòng)，從而被通信雙方察覺并規(guī)避。通過(guò)量子態(tài)傳輸，通信雙方協(xié)商生成量子密鑰，再加上對(duì)信息進(jìn)行“一次一密”的加密保護(hù)，真正實(shí)現(xiàn)信息在傳輸中的完全隨機(jī)、不可破譯，從根本上解決通信安全問(wèn)題。
中國(guó)科大陸朝陽(yáng)教授預(yù)測(cè)，未來(lái)數(shù)年內(nèi)，量子通信將實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。經(jīng)典通信的硬件設(shè)施不會(huì)被取代，只需在原有設(shè)施上“錦上添花”——在通信發(fā)送端和接收端安裝單光子探測(cè)器、量子網(wǎng)關(guān)等量子加密設(shè)備，即可在電話、傳真、光纖網(wǎng)絡(luò)等原有通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)量子通信，安全性大幅提升。
根據(jù)量子通信在信息保密方面的特性，量子通信在軍事、國(guó)防、金融等信息安全領(lǐng)域有著重大的應(yīng)用價(jià)值和前景，不僅可用于軍事、國(guó)防等領(lǐng)域的國(guó)家級(jí)保密通信，還可用于涉及秘密數(shù)據(jù)、票據(jù)的政府、電信、證券、保險(xiǎn)、銀行、工商、地稅、財(cái)政等領(lǐng)域和部門，而技術(shù)又相對(duì)成熟，未來(lái)市場(chǎng)容量極大。
三、量子通信市場(chǎng)應(yīng)用前景
從量子通信現(xiàn)階段的發(fā)展來(lái)看，在國(guó)內(nèi)還屬于實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)測(cè)試階段。但考慮到國(guó)家對(duì)信息安全的強(qiáng)調(diào)和提升信息安全的急迫性，我國(guó)已經(jīng)開始建設(shè)世界最遠(yuǎn)距離的量子通信干線--北京-上海量子通信干線。這條量子通信干線將首先為政府及金融機(jī)構(gòu)提供安全信息傳輸，同時(shí)也具有一定的實(shí)驗(yàn)與測(cè)試目的。
未來(lái)，量子通信首先應(yīng)用在政府、公用事業(yè)以及金融行業(yè)等安全需求較高的行業(yè)，運(yùn)用的項(xiàng)目為密鑰分配和安全管理。隨著傳統(tǒng)通信的繼續(xù)發(fā)展，量子通信將會(huì)向數(shù)據(jù)傳輸方面延伸，利用其高效性與及時(shí)性對(duì)傳統(tǒng)通信進(jìn)行替代�？梢灶A(yù)計(jì)，主要應(yīng)用的有四個(gè)市場(chǎng)：
（一）城域網(wǎng)。受制于經(jīng)典通信的限制，量子通信的實(shí)驗(yàn)一開始只是在單個(gè)城市，其工作半徑在50km以內(nèi)，出于試建的目的，量子通信可能最先在城域內(nèi)進(jìn)行組網(wǎng)建設(shè)。
（二）廣域網(wǎng)。在廣域網(wǎng)中進(jìn)行通信安全級(jí)別設(shè)置，在最高級(jí)別中運(yùn)用量子通信，達(dá)到一些客戶的對(duì)安全性的需求。
（三）專網(wǎng)。專網(wǎng)通信對(duì)信息安全的要求很高，但是基于現(xiàn)階段的標(biāo)準(zhǔn)并不能做到事中信息安全防護(hù)。如果在量子通信輔助信道可達(dá)的情況下，運(yùn)用量子通信來(lái)加強(qiáng)專網(wǎng)通信的安全性是一個(gè)可選之路。
（四）對(duì)空、對(duì)天、對(duì)潛應(yīng)用。對(duì)空、對(duì)天、對(duì)潛通信具有高成本、效率低等特點(diǎn)，引入量子通信以后，可以利用其無(wú)通信介質(zhì)限制、高效的特點(diǎn)進(jìn)行信息互通，從而解決現(xiàn)在所面臨的難題。
四、我國(guó)量子通信發(fā)展現(xiàn)狀
我國(guó)從2001年開始，在科技部“973”計(jì)劃、“863”計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中科院知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目的前瞻性支持下，量子通信科研方面取得了許多重要研究成果。已將以量子通信系統(tǒng)為核心的量子調(diào)控技術(shù)列入了《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020)》中重大研究計(jì)劃。
中科大潘建偉教授是國(guó)內(nèi)量子通信的領(lǐng)軍人物，2004年其團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了五光子糾纏和終端開放的量子態(tài)隱形傳輸，這一成果被《自然》雜志發(fā)表，并同時(shí)入選英國(guó)物理學(xué)會(huì)和美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選出的年度國(guó)際物理學(xué)重大進(jìn)展。2007年在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了安全通信距離超過(guò)100公里的光纖量子密鑰分發(fā)，2008年實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，2012年建成首個(gè)規(guī)�；孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)。
中國(guó)計(jì)劃在2030年建成全球化的量子通信網(wǎng)絡(luò)，因此在2011年啟動(dòng)了量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的研制，2016年8月16日，已完成發(fā)射，在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，構(gòu)建一個(gè)天地一體化的量子保密通信與科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系。2013年啟動(dòng)了光纖量子通信骨干網(wǎng)工程“京滬干線”項(xiàng)目，預(yù)計(jì)2016年9月底完成全部應(yīng)用系統(tǒng)交付，并開始全系統(tǒng)上線聯(lián)調(diào)，年底完成項(xiàng)目總驗(yàn)收，建成后將廣泛用于金融、政務(wù)等領(lǐng)域信息的安全傳輸。
五、量子通信對(duì)光纖光纜行業(yè)影響
與目前成熟通信技術(shù)相比，量子通信優(yōu)越性明顯，保密性強(qiáng)，大容量，遠(yuǎn)距離傳輸也是其一大特點(diǎn)。量子通信不僅在軍事、國(guó)防等領(lǐng)域具有重要作用，而且會(huì)極大地促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，早就被認(rèn)為是未來(lái)通信技術(shù)的發(fā)展方向，中國(guó)在這一領(lǐng)域的核心技術(shù)已經(jīng)領(lǐng)先世界，量子保密通信的應(yīng)用范圍很廣，凡需要保密的內(nèi)容都可以用。只需要在現(xiàn)有的光纜上加一個(gè)量子技術(shù)，就能實(shí)現(xiàn)在光纖網(wǎng)絡(luò)上的所有傳遞信息的保密。
一旦“京滬干線”量子通信工程及量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)成功，需要高等級(jí)保密需求的諸如金融、政府、軍隊(duì)等部門將會(huì)摒棄現(xiàn)有專網(wǎng)保密系統(tǒng)，轉(zhuǎn)而新建光纖量子通信專網(wǎng)或改造舊有專網(wǎng)系統(tǒng)。
因此，量子通信的應(yīng)用并不是拋棄現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)，而是以光纖網(wǎng)絡(luò)為載體，用量子密鑰增加信息傳輸?shù)谋Ｃ苄�。未�?lái)隨著人們對(duì)信息傳輸需求的增強(qiáng)，作為信息傳輸載體的光纜還將繼續(xù)被使用。