美欧日都想发射量子卫星为何只有中国成功了
来源:瞭望智库 更新时间:2016-08-17
 
8月16日1时40分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星(简称“量子卫星”)发射升空。我国空间科学研究又迈出重要一步!同我国预计9月中旬发射的“天宫二号”一起,这两颗卫星都将进行卫星与地面之间大空间尺度的量子通信实验。


量子通信到底是什么?这种技术将如何改变我们的生活?我国在量子通信领域处于什么水平,未来发展趋势如何?笔者在此为读者打开通向量子通信世界的神奇之门。


文 | 瞭望智库科技观察员、中国电子科学院博士许华醒



1.一种绝对安全的通信方式


量子信息科学是量子力学与经典信息科学相结合的一门交叉热点学科,它的研究领域主要包含三个方面,分别是量子计量、量子通信和量子计算。目前,量子计量和量子计算还处在科学研究阶段,量子通信研究则最广泛也最接近实用化。量子通信主要分为两类,一是量子保密通信,另一是量子隐形传态。这里我们主要讲前者。


量子保密通信,又称量子密钥分配,是目前人类认知水平下唯一被证明绝对安全的通信方式。它的功能是在通信双方(Alice和Bob)之间实时动态地分配密钥,保障通信的绝对安全。


传统的保密通信是在Alice和Bob见面时预选分配好密钥,或者派专人递送密钥,这种方式使用不便,且成本昂贵,通常应用在潜艇与基地之间通信等特殊场景。而量子密钥分配可在Alice和Bob之间建立量子信道,根据需要实时地分配密钥,若在密钥分配时遇到攻击或窃听,均能被Alice和Bob察觉。


举个例子,Alice给Bob发一条秘密短信,Alice先和Bob通过量子信道分配共享密钥,再用该密钥加密需要发送的短信,Bob收到加密的短信后用相同的密钥就可以读出信息,整个过程完全不用担心被黑客攻击或窃听。


密钥类似于保密柜的钥匙,量子密钥分配就是给Alice和Bob各分配一把一模一样的钥匙。Alice将要发送的短信锁入保密柜,将保密柜邮寄给Bob,Bob收到保密柜后用与Alice一样的钥匙解锁即可读出短信的内容,其他人拿到保密柜也没用,因为他们根本不知道钥匙长什么样。


量子保密通信示意图
量子保密通信示意图


2.为重大军政活动提供技术支撑


现代人们的生活与密码息息相关,我们的银行卡、邮箱、支付宝账号等都需要密码来保护。1984年C. Bennett与G. Brassard提出第一个量子保密通信协议,开创了量子通信这个新兴热门的研究领域。


我们使用最广泛的一种密码是RSA密码,是基于“大数质因子分解”这个数学问题难以求解来保障安全的。然而,如果有足够强的计算能力,这种密码体系就很容易被攻破。


1994年,在AT&T贝尔实验室工作的Peter Shor提出了基于量子计算机的量子质因子分解算法。对于一个129位阿拉伯数字进行质因子分解,用上千台现代计算机花费数十年时间才能完成,而量子算法对比它大100万倍的运算只需几分钟时间。


这给RSA密码系统的安全性带来了灾难性的挑战——


虽然量子计算机的出现还为时尚早,但是一旦量子计算机由理论变为现实,许多基于计算安全性的主流保密通信系统,将再无安全可言,它给密码学带来了巨大威胁,因而促使了众多学者关注量子保密通信。


经过30余年的高速发展,量子保密通信经过了基础研究和技术突破阶段,已经逐步实用化。目前,其应用主要集中在对信息传输安全性要求高的领域,比如政务、军事、金融、大型企业等。


2004年,奥地利银行在世界上首次采用量子保密通信技术将一张重要支票从市长处传至银行。2007年,瑞士全国大选的选票结果采用了量子保密通信传送,以保证结果的绝对安全。


我国在2009年60周年国庆阅兵、2012年党的十八大会议、2015年中国抗战胜利暨世界反法西斯战争胜利70周年大阅兵,均构筑了“量子通信热线”,部署了量子加密电话网、量子加密数据传输设备,量子通信设备运行稳定、效果良好,为我国重大军政活动提供了基于量子安全的技术支撑,得到国家有关部门和领导的高度肯定和评价。


3.大国激烈竞争中,量子保密信息网逐步覆盖全球


近年来,世界许多国家都在验证和建设量子保密通信网。2003年至2007年,美国DARPA建设了10个节点的量子通信网络,之后美国国家标准技术局、美国阿拉莫斯国家实验室等分别建设和运行着小规模的量子保密通信网。在中国宣布“京沪干线”量子保密通信工程之后,美国启动了覆盖全国的量子环网计划。
美国量子环网计划
美国量子环网计划


欧洲在2004年至2008年,由41个研究单位和企业共同建设和运行了SECOQC量子通信网络,瑞士和西班牙也相继建设了各自的量子通信网络。近期,欧盟发布了《量子宣言》,将在2018年启动一项10亿欧元的量子技术旗舰计划,目的是让欧洲在量子技术研究方面处于领先地位。


2010年,日本建成了日本东京量子通信网,演示了视频会议,和可应用于移动通信的量子通信手机和密钥存储卡。南非泰国澳大利亚等国也建立了各自的量子通信实验网。


我国在2007演示了北京四节点量子网络,之后于2009年建设了世界首个量子政务网——芜湖量子政务网。2012年建设了46节点合肥城域量子通信示范网,是全球首个规模化的量子通信网络,连接40组“量子电话”用户和16组“量子视频”用户。


2012年,新华社和中国科技大学合作建设了世界上第一个金融信息领域的量子通信应用网络。2014年,建设完成了“济南量子通信试验网”,该试验网在济南市区拥有50个节点用户单位,服务用户90个。


2013年,我国启动了“京沪干线”量子保密通信工程,将建设连接北京、上海,贯穿济南、合肥等地总长2000余公里的高可信、可扩展、军民融合的城际量子通信网络,预计2016年底交付使用。


“京沪干线”是世界上首个广域光纤量子保密通信骨干线路,连接原有的山东“济南量子通信试验网”和安徽“合肥城域量子通信试验示范网络”,基于可信量子中继,形成大尺度广域量子保密通信网络,完成远距离光纤量子保密通信技术的集成验证,以及多媒体、金融、电子政务等多项应用示范,开展技术标准和系统安全性评测认证的相关研究。


量子卫星实现“京沪干线”与新疆之间的长程量子通信
量子卫星实现“京沪干线”与新疆之间的长程量子通信


量子通信网络的建设以及量子通信技术的加速应用带动了量子通信产业的快速发展。随着产业化推进,吸引了一批公司从事量子通信设备的研制、生产和销售,比如美国雷神公司(BBN)、英国QinetiQ公司、瑞士IDQuantique公司、日本东芝公司(Toshiba)、日本电气株式会社(NEC)、三菱公司(Mitsubishi Electric Corporation)、日本电报电话公司(NTT)、中国国盾量子、安徽问天量子等公司。


4.第一颗量子卫星,中国开启全球量子通信时代


科学家们一直致力于全球化量子通信的研究,然而要实现全球化量子通信,需要突破距离的限制——光纤量子通信的距离在百公里量级,只能实现城域网的量子保密通信;结合量子中继器,可进一步实现城际网的量子保密通信,距离可达到上千公里,然而量子中继器距离实用还有较长时间。通过卫星实现超远距离的全球量子通信是目前国际公认的最为可行的实现方案。


2008年,欧洲安东·赛林格(A. Zeilinger)等科学家就提出在国际空间站率先开展星地量子通信的方案,但是该方案最终未给出明确日程。赛林格是潘建伟的导师,他们各自率领着空间量子通信国际上领先的研究组,在远程量子通信领域保持着多年的竞争性友谊。


目前,美国、欧洲、日本、加拿大、新加坡等国都计划发射量子通信卫星,竞争激烈。值得骄傲的是,中国将在世界上率先进行卫星与地面之间大尺度空间的量子通信试验。中科院空间科学先导专项的第三颗卫星——量子科学实验卫星,已进入酒泉卫星发射中心,将在8月中旬择机发射;同时,我国“天宫二号”也已进入酒泉卫星发射中心,将在9月中旬发射。
基于量子卫星实现中国至奥地利的量子通信
基于量子卫星实现中国至奥地利的量子通信


如果实验成功,中国将建立第一个通过卫星来连接亚欧的洲际量子安全传输通道,并且,还将提供一个新的平台,中国科学家有机会在量子理论和相对论领域做出原创性的基础研究突破。


同时,结合“京沪干线”等地面光纤量子通信城域网和城际网,再通过量子卫星实现数千公里、数万公里的长程或洲际量子通信组网,进而可实现天地一体化的全球量子通信网络。“量子通信实验卫星”实验成功之后,我国将会陆续发射多颗量子卫星,预计在2030年实现全球化广域的量子保密通信网络。


此外,量子通信需要高精密的器件,一些核心设备还需要自主研发,所以,量子通信的产业化必将带动我国光电器(002045,股吧)件产业的发展与技术突破。招商证券(600999,股吧)分析师认为2016年量子通信整体产业规模将达到十亿量级,2020年预计会达到千亿。


可以说,随着我国“京沪干线”量子保密通信工程和“量子科学实验卫星”工程的实施,中国将开启全球量子通信时代,2016年将成为全球量子通信时代的元年。


附1:中国量子通信研究成果代表世界顶尖水平


在2000年之前,量子通信的重要成果大多出自美国和欧洲,中国从20世纪90年代逐步进入这一研究领域,但基本上处于跟随和参与的角色。2000年之后,中国逐步成为了量子通信领域的主力军。我国对量子通信研究极为重视并给予了大力支持,通过基础科研攻关和关键技术突破,我国涌现出了一大批有世界影响力的成果,也培养了一批量子领域国际顶尖人才。


光纤量子通信:中国保持着世界水平。


2005年,中国科技大学郭光灿院士课题组完成了北京至天津总长125公里的光纤量子保密通信实验,是当时领先世界的水平;并在2012年将光纤量子通信距离延伸至260公里,这一距离基本上是在光纤中进行量子保密通信的极限水平,是公开报道的商用光纤量子通信最长的传输距离。


空间量子通信:中国科学家和世界主要竞争对手交替刷新世界纪录。


2009年,中国科技大学和清华大学联合研究组在北京八达岭与河北怀来之间成功实现了当时世界上最远距离16公里的量子隐形传态,证实了量子隐形传态穿越大气层是可行的。


2012年8月,中国科技大学潘建伟院士课题组在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和量子纠缠分发,该实验的成功意味着量子通信在太空的传输距离将能达到1000公里以上,基本上解决了量子通信卫星远距离信息传输问题。同年9月,维也纳大学和奥地利科学院的物理学家刷新了量子态隐形传态最远距离——143公里,创造了新的世界纪录。


2013年5月,中国科学家成功进行了热气球与地面之间的量子保密通信,德国科学家实现了飞机与地面之间的量子保密通信,验证了在运动平台上进行量子通信是可行。


量子通信防攻击:中国科学家做出了领先世界的贡献。


2005年,清华大学王向斌教授与加拿大H.K. Lo等人分别独立提出了实用化的量子保密通信协议——诱骗态BB84协议。它克服了没有理想的单光子源而带来的窃听隐患。


2013年,中国科技大学潘建伟院士课题组和A. Rubenok等人分别独立实现了探测器无关的量子保密通信,克服了所有针对探测器的攻击,完美解决了量子黑客隐患。该成果入选美国物理学会2013年度国际物理学重大进展。


量子存储和量子中继:中国代表了世界最先进水平。


2015年,中国科技大学李传锋研究组首次成功研制出高维固态量子存储器,并实现一次可以存储100个量子比特的多模式固态量子存储器,创造了世界最高水平。2016年,中国科技大学潘建伟在国际上首次实现了百毫秒高效量子存储器。量子中继的核心是量子存储技术,这些工作为远距离量子中继系统的构建奠定了坚实基础。目前,我国量子存储技术原理上已可支持通过量子中继实现500公里以上的量子保密通信,超越光纤直接传输极限。


中国在量子通信领域的成果得到了国际同行肯定,中国科技大学潘建伟院士荣获2012年度国际量子通信奖,是目前荣获该奖的唯一华人。中国科技大学陈宇翱荣获欧洲物理学会授予的2013年度“菲涅尔奖”。


鉴于中国科学家在量子信息领域做出的卓越贡献,国际量子物理与量子信息研究领域最知名、影响力最大的国际会议“2014量子通信、测量和计算国际大会”在中国成功举办。中国在量子通信领域的成果已6次入选国际权威机构评选的年度国际物理学重大进展。中国科技大学潘建伟院士课题组“多自由度量子隐形传态”成果更是被英国物理学会新闻网站《物理世界》评为2015年度国际物理学领域的十项重大突破之榜首。


附2:神奇的量子物理原理


量子保密通信之所以绝对安全的,是由下述原理保证的。即便窃听者拥有无限强大的技术和计算能力,只要他没有违背量子力学的基本规律,量子保密通信就可以保障通讯的绝对安全。


单光子不可再分原理。在经典通讯中,常采用强光脉冲或电信号传输,窃听者可以采用“分流”的办法,截取一部分能量,从而窃取信息。量子通信中信息的传输载体是单个光子,单光子表现为能量的最小单元,不可再分。光子的概念最早由爱因斯坦在1905年提出,他认为光束是由一份一份的能量包络组成的,这种能量包络后来称为光子或光量子,基于光子的认识,爱因斯坦成功解释了光电效应,并因此获得了1919年的诺贝尔物理学奖。


海森堡不确定原理。它是德国物理学家海森堡1927年提出的,该原理说,我们不可能同时精确知道一个粒子的位置和它的速度,这表明微观世界的粒子行为与宏观物质很不一样。对粒子一个量的精确测量,会使另一个量完全不确定。因此,任何观测者无法通过一次测量来获得单光子携带信息的量子状态。
薛定谔的猫
薛定谔的猫


测量塌缩原理。薛定谔的猫,当人们没有打开盒子观测猫时,也就是没有测量时,猫处在既死又活的叠加状态,然而当人们打开盒子观测猫时,也就是进行了测量,猫要么活着要么死了,只能处在两种状态中的一种,科学家称这为测量塌缩。所以,对于量子保密通信而言,窃听者要想截获信息,必然要对携带信息的光子进行测量,而测量必然会发生测量塌缩,也就是改变了光子原来的状态,会被通信双方发现。


量子不可克隆定理。它的含义是未知量子态是无法被精确克隆的,这与我们的日常认识相差很大,我们电脑中的文件可以随意复制,但是携带信息的量子状态我们无法精确复制。所以,窃听者无法复制光子,也就无法通过多次测量获取光子的准确状态信息。