獨家：歐洲量子通信，弄啥嘞？

2016年8月16日，我國成功發射了世界上第一顆量子通信衛星「墨子」號。「墨子」號帶著中國科學家們的希望開始了為期兩年的太空之旅。

從今天凌晨發射至今，關於「墨子」號介紹的科普層出不窮，給大家科普了量子通信的知識 (量子密鑰分發，量子隱形傳態等等)，展示我國科學家在此領域的進步。不知道在感嘆「高大上，然毛不懂的」同時，大家心裡會不會產生這樣的疑問：我國的量子通信技術莫非真的已經稱霸世界了？如果是，那量子力學的誕生地，歐洲列強們，what are they 弄啥嘞？

今天，我們借著這次量子衛星發射的契機，以法國為主要代表，帶大家盤點一下歐洲量子通信，主要是量子密鑰分發技術的發展狀況。

量子理論奠基者，實驗驗證先行者

首先需要澄清一下量子通信這個概念。廣義上來講，量子通信的研究主要包括量子隨機數，量子密鑰分發 (也被叫做量子密碼，量子保密通信)，量子隱態傳輸等等。目前真正得以商用的主要是量子隨機數生成器以及量子密鑰分發技術, 所以我們在新聞上看到的關於「量子通信」 的報道，現階段，指的主要就是量子密鑰分發技術。而被宣傳地神乎其神的量子隱形傳態技術，是目前量子通信領域研究的前沿，依然還處於在試驗探索階段，還沒有直接的實際應用案例。當然最近幾年的中國已在這方面取得重大突破，剛發射的量子衛星上同樣有隱形傳態實驗。

必須承認的是，歐洲在量子通信理論奠基方面做出了巨大的貢獻。量子保密通信的物理基礎正是德國物理學家海森堡發現的測不準原理。測不準原理有點兒類似於「魚和熊掌不可兼得」。無論測量技術再精確，都不可能同時準確測量微觀粒子的位置和動量。測不準原理的一個自然延伸便是不可克隆原理，因為完美複製一個量子態的前提便是對其進行無比準確的測量。

量子通信的另一分支，量子隱形傳態概念的雛形一直被公認源於愛因斯坦。愛因斯坦 (Einstein)，波多爾斯基 (Podolsky)與羅森 (Rosen)，出於反對量子力學的目的，設計了一個思維實驗 (史稱ERP實驗)：把兩個處於糾纏態的粒子在空間上分開很遠，然後對其中一個粒子A進行觀察，如果按照量子力學的觀點，在觀察A之後，B的狀態也得以確定。那麼A一定是通過某種未知的方式將信息告訴了B，B才能做出相應改變。問題是在此過程中A和B之間的信息傳遞快於光速，違背了相對論。相對論在那個時代已經被證明是正確的，因而愛因斯坦認為量子力學是錯誤的！可惜當時實驗條件有限，無法驗證究竟愛因斯坦正確還是量子力學正確。

第一個以實驗方式回答這個問題的是法國物理學家 Alain Aspect。1982年，Alain Aspect 在法國高光所完成了 EPR 實驗 (也叫做貝爾不等式測量實驗)，實驗結果符合量子力學的預測。微觀粒子之間的「量子糾纏」關係確實客觀存在！愛因斯坦也會犯錯！Alain Aspect 成果公布之後，量子信息領域研究的大門被打開，學術界開始廣泛關注量子通信，量子計算。憑藉著這一傑出貢獻，Alain Aspect 被視為量子通信領域最有希望獲得諾貝爾獎的候選人。不過有意思的是，Alain Aspect 本人其實是想通過實驗來否定量子理論的。結果一不小心就成了法國量子通信領域的一面旗幟。

1993年美國人貝內特（Charles Bennett）等人提出了利用量子糾纏來實現量子隱態傳輸的想法。1997年奧地利科學家蔡林格在世界上率先完成量子隱態傳輸的原理性實驗驗證，而國內量子通信領軍人物潘建偉教授，作為蔡林格的博士生，全程參與了實驗。值得一提的是，潘建偉教授畢業後在德國海德堡大學工作一段時間，回國後在中國科學技術大學創建了量子信息實驗室，大力推動中國量子通信研究。可以說，中國量子通信研究身上也流淌著一部分歐洲的血液。2015年，潘建偉教授團隊在量子隱形傳態方向相較於其導師蔡林格，又向前推動了一步，實現了單光子的多自由度的隱形傳態。

量子密鑰分發，法國另闢蹊徑

量子密鑰分發，量子時代的安全保障

量子秘鑰分發 (Quantum Key Distribution, 簡稱QKD) 作為量子信息領域的一個重要分支, 近年來取得了重大進展。量子秘鑰分發理論上可以實現無條件的安全通信，具有巨大的應用前景。目前通信系統採用的公鑰加密體系雖然也可以解決通信各方安全分發密鑰的難題，然而其依賴的是計算時間複雜度，並沒有任何理論支持它的無條件安全性。這意味著任何在計算能力或者演算法上的突破都有可能瞬間瓦解現有的公鑰加密體系。

事實上，早在90年代由美國研究者謝爾 （Shor）提出的謝爾量子演算法就被證明可以大幅降低破解公鑰的計算複雜度。這預示著將來有一天一旦有了大規模的量子計算機，那麼基於計算時間複雜度的加密學便面臨失效的危險。這並不是危言聳聽，事實上最近幾年世界各地的研究者已經在量子計算上不斷取得重大突破，加拿大的 D-Wave 甚至已經推出了所謂的商用量子計算機。真正的量子計算機的到來也許比人們想像中的還要早。

與傳統加密方式依賴於計算複雜度不同，QKD 的安全性是完全基於量子物理的基本原理，無論第三方竊聽者有多強的計算能力都不可能竊取秘鑰。 更進一步說， QKD 的無條件安全性是基於量子力學中的不可克隆原理：不可能複製一個未知的量子態而不對其造成擾動。QKD 巧妙地把對信息的擾動和第三方竊聽者獲取的信息量聯繫到一塊，這樣就達到了偵測竊聽者的目的。QKD 生成的秘鑰完全隨機，可實時更新，並且在理論上無條件安全。這些特性使得 QKD 適合配合使用一次一密協議，從而實現最高級別的安全通信。

首個 QKD 協議 BB84 由美國科學家 Charles Bennett 和加拿大科學家 Gilles Brassard在1984提出，該協議通過操控和探測單光子態（偏振或者相位）來實現量子秘鑰分發，因此被稱為離散變數（Discrete Variable 簡寫為DV）QKD。DV QKD 也正是我國衛星上採用的量子秘鑰分發的技術。然而 DV QKD 在實用化發展上也面臨一系列難題，例如單光子探測器並不是經典通信領域器件，技術成熟度較低。在實際技術實現中，成本昂貴，探測效率較低，抗雜訊能力低，還需要配合主動製冷技術使用。單光子探測器也在一定程度上限制了DV QKD 的發展。

連續變數量子秘鑰分發，法國式創新

歐洲在量子科學的研究中，具有悠久的歷史與傳統，在量子秘鑰分發的研究中當然也不甘落後。以法國為例，其在新一代量子秘鑰分發技術：連續變數 量子秘鑰分發（Continuous Variable Quantum Key Distribution，簡稱CV QKD）中的研究和成果處在主導和世界領先地位。其中在這方面最具代表性的當屬巴黎高光所 (Institut d』Optique) 和巴黎高等電信學院 (Telecom Paristech)。2002 年，Philippe Grangier 和他的學生 Frédéric Grosshans 在隸屬於巴黎高光所(Institu d』optique) 的夏爾·法布里實驗室 (Laboratoire Charles Fabry) 首度提出了目前最為重要的 CV QKD 協議：GG02協議。

GG02 協議創造性地提出了使用弱相干進行高斯調製實現量子秘鑰分發，使得完全使用標準化光通信器件實現量子秘鑰分發成為可能。事實上，在接下來幾年巴黎高光所聯合法國知名軍火公司 Thales 實現了光纖系統下使用通信波長（1550nm）的 GG02 協議進行量子秘鑰分發。GG02 在 CV QKD 的發展中具有里程碑式的意義， 其地位等同於 BB84 在 DV QKD 中的位置，它也是近年來 QKD 實用化研究的熱點。我們之後將提到的法國公司 SeQureNet 的主打產品正是運行 GG02 協議的量子秘鑰分發設備。

值得一提的是 Philippe Grangier 正是大神 Alain Aspect 參與到 EPR 實驗的學生。GG02 的提出和實現也與 Philippe Grangier 所在的夏爾·法布里實驗室多年來在量子光學研究中的深厚積累和底蘊密不可分。之後該實驗室又積极參与了歐盟的 SECOQC 量子網路項目，運行 GG02 協議的量子秘鑰分發設備作為量子網路中的一個重要節點，穩定高效的保證了整個網路的演示運行。

這裡我們順帶介紹一下歐盟的 SECOQC 項目。出於防備美國人的 ECHELON 監聽體系 (電影 Conspiracy 對該系統的強大有很精彩地藝術表現) 的目的，歐盟於 2004 年啟動了 SECOQC 項目。該項目的主要目的是突破量子通信點對點的限制，構建一張通過標準光纖鏈接多個網路的量子保密通信網。SECOQC 量子網在2008年在維也納建成。雖然只是連接了不到 10 個節點，SECOQC 卻是世界上第一個由量子密鑰保護的計算機網路。我國這次發射的量子科學衛星實際上也肩負著探索量子通信組網的任務，只不過量子科學衛星的目標是構建洲際間的量子保密通信網路。事實上，我國這次發射的量子衛星將與建立在維也納的地面基站進行量子秘鑰分發，首次實現洲際量子保密通信。

SeQureNet, CV QKD實用化鋪路者

SECOQC 項目結束後，夏爾·法布里實驗室把 CV QKD 研究成果轉移到更加具有通信背景和實力的巴黎高等電信學院的量子信息小組，該組同時牽頭成立了創業公司 SeQureNet， 該公司專註於研發使用連續變數的量子加密設備。巴黎高等電信學院的量子信息小組和 SeQureNet 又更近一步推動了 CV QKD 實用化發展。在理論方面，該組近年來給出了一系列的 CV QKD 理論安全方面最前沿的證明。 在實用化領域，該小組提出的多維協商後處理方案以及使用在低信噪比的糾錯碼已經在 CV QKD 研究領域被廣泛使用，同樣具有里程碑意義；2011年 SeQureNet 公司使用該公司 CV QKD 設備配合傳統 AES 加密設備在實際 20kM 光纖鏈路上穩定運行長達6個月。

近幾年最矚目的成果當屬2013年首次實現了80公里範圍內 CV QKD 傳輸距離的世界紀錄。這一紀錄直到最近才被我國研究人員打破。目前巴黎高等電信學院的量子信息小組還致力於 CV QKD 的研究，諸如 CV QKD 實際設備安全性和經典光網路融合。該小組將繼續與巴黎高光所進行合作開展晶元集成和自由空間 CV QKD 的研究。

CV QKD應用在量子衛星的潛在優勢

CV QKD 屬於第二代量子秘鑰分發技術，不同於DV QKD，CV QKD 的信息載體是具有連續光譜的一個單模光場，其中可包含多個光子。更具體而言 CV QKD 在發射端使用電磁場的正交分量來調製信息，在接收端使用相干探測技術（平衡零差和外差探測）來解調信息 （DV QKD 和 CV QKD的原理對比圖如下）。

這樣的調製解調的方式就非常類似於經典光通信使用的方法，這也使得 CV QKD 可以借鑒和繼承很多現有的光通信中成熟的技術。同時這樣的特點也使得 CV QKD 相對 DV QKD 具有很多潛在的優勢：得益於使用相干探測，CV QKD 可以有效濾除背景雜訊，這樣的特點使其適合於 CV QKD 與經典光通信網路融合，同時也可能適合於自由空間量子秘鑰分發（比如說衛星）。並且， CV QKD 在短距離的成碼率較高， 可以滿足一些特定場景下的應用要求。 同時 CV QKD 的實現技術與現有光通信技術類似，未來有望實現低成本的連續量子秘鑰分發。 最後理論上 CV QKD 也可以像 DV QKD 生成無條件安全的秘鑰，CV QKD 儘管使用了包含多個光子的光場進行量子秘鑰分發，其並不會像 DV QKD 那樣由於有多光子泄露而降低了安全性。

結果預示有望使用同一終端進行經典的激光通信和量子通信。最近，該國研究人員在地面基站已經成功完成了初步測試，並且他們正準備在不久未來升級地面相關設備從而實現完整的 CV QKD 通信。

2012年 NASA 也開始研究 CV QKD 作為保證衛星通信安全性的可行性。NASA 在其報告指出了一系列 CV QKD 適合於衛星通信的優點。最近，澳大利亞的新南威爾士大學也在理論上論證了 CV QKD 信號在低空衛星軌道傳輸的可行性。前文所提的巴黎高等電信學院和巴黎高光所目前也正在積極致力於星載 CV QKD 的研究，他們也希望該組多年研究的CV QKD 系統能被應用到衛星通信上，在日漸激烈的量子密鑰分發技術競爭中佔得一席之地。

重新啟航

儘管歐洲在量子通信領域成績斐然，但是成果主要集中在理論和驗證性試驗上。歐洲對量子通信工程實用化的投入還是過少。其實最先提出發射量子衛星想法的是歐洲人，只是資金上一直得不到支持未能實施。雖然歐洲很多公司推出過成熟的 (基於量子密鑰分發) 商用量子保密通信系統，但是由於量子計算機的威脅依然遙遠，工業界對於用量子保密通信系統替換現有公鑰加密系統缺乏動力。在缺少歐盟的政策扶持之下，歐洲的量子通信公司發展的環境並不理想。比如上面介紹過的 SeQureNet 這家公司，儘管在技術上一直不斷突破，但至今規模依然很小，市場有限。

不過，2013年「稜鏡門」事件之後，歐洲人對量子通信及其應用的重要性有了更清晰的認識。2014年法國在巴黎創立了巴黎量子計算中心 (Paris Center for Quantum Computing, 簡稱 PCQC)。PCQC 將法國所有從事量子信息研究的機構，如法國國家科研中心(CNRS), 巴黎高等電信(Telecom ParisTech), INRIA 巴黎，巴黎六大，巴黎高光所(Institut d』Optique), 法國原子能研究署 (CEA) 等法國頂尖研究機構聯繫起來，讓理論物理學家，數學家以及計算機科學專家們通力合作，試圖帶領法國在量子物理理論，量子通信，量子計算等方面實現突破。 同年，Telecom Paristech 聯合 PCQC 主辦了量子保密通信的頂級會議：第四屆量子密碼年會（QCRYPT 2014）。這足以看出，法國以及歐洲在量子保密通信領域的地位。

英國在這次量子通信競爭中同樣不甘示弱，2014年英國投資了1點2億英鎊在Birmingham, Glasgow, Oxford and York 四所大學設立Quantum Hub (量子中心), 用於量子保密通信的研究。當然這些 Quantum Hub 還會被用於量子感知，量子圖像，量子模擬以及量子計算等各方面的研究。

今年5月中旬，歐盟宣布投資10億歐元啟動 Quantum Flagship 計劃，促進量子通信技術的研發。歐盟試圖通過這項計劃確保歐洲在新一輪量子革命中保持領先位置。2016年7月初，法國對 Quantum Flagship 做出了響應。法國政府召集了法國量子信息領域的國寶級專家 Alain Aspect, Philiphe Grangier 以及兩位諾貝爾物理學獎獲得者 Albert Fert 和 Serge Haroche, 工業界巨頭 Thales, ATOS 等商討法國如何在 Quantum Flagship 中貢獻自己的力量。

隨著歐洲在量子通信領域的投入逐漸加大，憑藉其在量子信息領域的深厚積澱，歐洲也一定會取得新的讓人振奮的成果。歐洲的一些城市已經在規劃量子通信網路的建設，歐洲版的量子衛星也已被正式提上日程。可以預見，以後歐洲和中國的科學家會在量子通信領域展開更多的競爭與合作。

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