• 背景摘要
  • 量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式,是近二十年发展起来的新型交叉学科,是新的研究领域。
独家揭秘:量子通信如何做到“绝对安全”?
来源:科学大院 - 张文卓     发布时间:2016-08-20

2016年8月16日凌晨1时40分,中国在酒泉卫星发射中心发射了世界第一颗“量子科学实验卫星”。卫星由长征二号丁运载火箭送入太空,飞行了约十一分半后与火箭分离,顺利进入了太阳同步轨道。这是人类历史上第一颗尝试运用量子信息技术来实现 “天地交流” 的卫星,如果成功,标志着人类通信技术迈入全新的时代。该卫星由中国科学技术大学和中科院上海技术物理研究所共同研制,经过前期准备,于2012年正式立项,取名为“墨子号”。

该量子科学实验卫星将配合多个地面站实施星地量子保密通信实验,星地双向量子纠缠分发实验,同时也要进行地星量子隐形传态等实验,其中还将尝试从北京到维也纳的洲际量子密钥分发。

据悉,本次任务还搭载发射了中科院研制的稀薄大气科学实验卫星和西班牙科学实验小卫星。量子卫星发射入轨后将进行3个月左右的在轨测试,然后转入在轨运行阶段。

基于卫星等航天器的空间量子通信,有着地面光纤量子通信网络无法比拟的优势。原因之一是在同样距离下,光子在光纤中的损耗远高于自由空间的损耗。这是由于光子在自由空间的损耗主要来自光斑的发散,大气对光子的吸收和散射远小于光纤。原因之二是受到地面条件的限制,很多地方无法铺设量子通信的专用光纤。因此,想建设覆盖全球的量子通信网络,必需依赖多颗量子通信卫星。

从以上分析我们看出,这颗量子科学实验卫星将开创人类量子通信卫星的先河,在实现一系列量子通信科学实验目标的同时,尝试与地面光纤量子通信网络链接,为未来覆盖全球的天地一体化量子通信网络建立技术基础。

那么,量子科学实验卫星的背后,到底隐藏了什么物理原理?

量子信息是以量子物理学为基础的新一代信息科学技术。主要包含两个方面,一个是信息的传输,即量子通信。另一个是信息的处理,即量子计算。

20世纪初,普朗克、爱因斯坦、玻尔开创了量子物理学研究。随后,海森堡、薛定谔、狄拉克等物理学家建立了量子力学。从此,量子物理学沿着两条路深刻地推动着人类文明的发展。一条路是“自上而下”的,即不断深入微观世界探索基本粒子。我们经常听到的“高能物理(即粒子物理)”、“大统一理论”、“大型强子对撞机”等等就是来自这个领域。另一条路是“自下而上”的,也就是认识身边的各种物质背后的量子力学原理,并在此基础上发展各种高新技术来改变世界,如我们经常听到的“凝聚态物理”、“半导体”、“激光”、“超导体”、“纳米材料”等等。这条路曾经通过半导体技术催生了第一次信息革命,使我们今天能够便捷地使用计算机、智能手机和互联网。但是这次信息革命是属于“经典信息”的革命虽然我们必须用量子力学才能理解半导体和激光的本质与工作原理,但我们所处理的还是经典的二进制信息(即0和1,叫做经典比特),而这属于经典物理学的范畴。

随着我们对量子力学原理的认识步入到了一个全新的阶段,第二次信息革命即将诞生。其中以“量子信息”革命为代表。信息传输和计算都将直接基于量子比特,也就诞生了量子通信和量子计算。量子通信作为排头兵,走在了这次信息革命的最前面,成为它的第一个突破点。

量子通信按照应用场景和所传输的比特类型可分为“量子密码”和“量子态传输”两个方向。其中“量子密码”使用量子态不可克隆的特性来产生二进制密码,为经典比特建立牢不可破的量子保密通信。目前量子保密通信已经步入产业化阶段,开始保护我们的信息安全;“量子态隐形传态”是利用量子纠缠来直接传输量子比特,将应用于未来量子计算机之间的通信。

表1 量子密码和量子隐形传态的区别

名词解释:量子不可克隆定理

复制(即克隆)一个粒子的状态前,首先都要测量这个状态。但是量子态不同于经典状态,它非常脆弱,任何测量都会改变量子态本身(即令量子态坍缩),因此量子态无法被任意克隆。这就是量子不可克隆定理,已经经过了数学上严格的证明。

窃听者在窃听经典信息的时候,等于复制了这份经典信息,使信息的原本接收者和窃听者各获得一份。但是在量子态传输时,因为无法克隆任意量子态,于是在窃听者窃听拦截量子通讯的时候,就会销毁他所截获到的这个量子态。

在量子密码里(如BB84协议),正是由于量子不可克隆定理,光子被截获时经过了测量,偏振状态就发生了改变。接收方就会察觉密码的错误,停止密码通信。这也就确保了通信时量子密码的安全性,也就保证了加密信息的安全性。

在传输量子比特时,由于量子不可克隆定理,销毁量子态就是销毁了它所携带的量子比特,于是无论是接收者还是窃听者都无法再获得这个信息。通讯双方会轻易察觉信息的丢失,因此量子比特本身的具有绝对的保密性。量子不可克隆定理使得我们直接传输量子比特的时候,不用再建立量子密码。而是直接依靠量子比特本身的安全性就可以做到信息不被窃取。

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