中國量子通信領先美國，可防禦一切竊聽者

出品|網易新聞學院

作者| 鐵流

最近兩年，中國在量子通信領域不斷傳出好消息。

2015年，中國科技大學合肥微尺度物質科學國家實驗室的潘建偉院士、陸朝陽教授等，完成了關於「多自由度量子隱形傳態」的研究，這項成果名列當年國際物理學領域十項重大突破榜首。

2016年2月，工商銀行用量子通信技術，成功實現了北京分行電子檔案的同城加密傳輸。同年8月，我國首顆量子科學實驗衛星「墨子號」成功發射並實現地衛通信。

2017年3月，量子通信「京滬幹線」開始最後階段的貫通測試。

量子通信到底有何神奇之處，中國量子通信的發展又經歷了怎樣的過程？

中國發射的世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號，《Science》雜誌封面

無法被破譯的量子通信

傳統的通信加密一般是在傳輸介質和加密數據上做文章，而這種加密方法只是增加了破譯的難度，無論是採用先進演算法破譯，還是採用超級計算機暴力破譯，破解傳統通信加密數據只是時間長短的問題。

量子通信則是利用量子比特來傳輸信息，這個技術的前提是建立量子糾纏，根據量子力學理論，2個處於量子糾纏態的粒子無論相距多遠，都能瞬間感知和影響對方的狀態，因此利用糾纏態粒子的特性可以傳遞信息。

量子糾纏概念圖

已經可以商用的量子密鑰分配技術採用「一次一密」的對稱加密方式。即把每一個隨機數比特的信息編碼在單個光子的量子狀態上，然後用光纖把光子發射出去，接收方接到單光子並探測其量子態後，把與發射端特定的協議協商生成對稱的隨機數作為密鑰，從而對要傳輸的數據進行加解密傳輸。

正是因為量子通信的基本原理源於量子力學，所以無論破譯者掌握了多先進的竊聽技術、多強大的破譯能力，只要量子力學的規律成立，量子通信就無法被破解。

量子衛星工作示意圖

「量子可信中繼」讓遠距離量子通信成為可能

量子密鑰分配是通過單個光子的量子態傳遞的，而光子在光纖中會被吸收和散射，導致傳輸距離受到限制。並且經典通信釆用的信號放大和中繼技術並不適合量子密鑰，因此目前量子密鑰分配最遠傳輸距離是260—300公里，所以要實現量子通信京滬幹線二千公里的遠距離量子密鑰分配，就需要量子中繼站的輔助。

量子通信中繼站分為量子中繼和可信中繼。量子中繼技術難度非常大，目前還做不到實用化。可信中繼類似於量子密鑰接力賽，密鑰可以在可信任中繼站之間進行接力遞送。

量子通信傳輸概念圖

現在的可信任中繼站可以不需要人員參與，而且設有自毀功能，一旦發現問題，可以立即停止光量子的傳送，並刪除所有「落地」到中繼站的密鑰。

根據相關單位披露，全長為兩千公里的量子通信幹線共使用32個可信中繼站，除了上面提到的安全設計外，還把原本對每個中繼站的安全要求集中到幾個核心站點上，這樣一來，就使需要防禦的區域從原來的整個通信網路，變成少量的幾個重點站點，從「處處設防」變成「重點布防」，因此大幅提升了通信的安全性。

量子通信京滬幹線背後，是逐漸延伸的中國量子通信產業版圖

2008年，國內科研團隊在合肥實現了國際首個全通型量子通信網路，並利用該成果為60周年國慶閱兵關鍵節點間構建了「量子通信熱線」，為重要信息的安全傳送提供了保障。到2009年，中國量子通信距離突破200公里。

城域量子網關

2012年，合肥市建成了世界首個覆蓋整個城區的規模化（46個節點）量子通信試驗示範網路。2013年濟南也建成了有近百個用戶單位的城區量子通信網路。這些技術成果標誌著大容量城域量子通信網路技術已經成熟。

2015年10月，阿里巴巴與科大國盾量子聯合發布了阿里雲量子加密通信產品，這是全球範圍內首次將量子加密通信技術與雲服務結合，使量子加密技術成為了一種共享資源。

2016年底，國科控股聯合中科大成立了國科量子通信網路公司，致力於量子通信網路建設和運維；從基礎研究，到核心設備製造，到應用產品研製，到網路建設和運維，量子通信的中國產業鏈正在形成。

即將啟用的量子通信「京滬幹線」連接北京、濟南、合肥、上海等城域網路，全長2000多公里，它將成為全球首個也是距離最遠的廣域光纖量子保密通信骨幹線路。作為對比，國外最長的量子通信網路全長為307公里，英國的500公里的量子通信網路只停留在圖紙上。

未來手機可接入量子通信網路？

目前，量子通信主要用於保護金融信息、政務信息等方面——比如交通銀行把量子保密通信技術應用於金融企業網銀用戶的實時交易；比如網商銀行採用量子技術在專有雲上完成量子加密通信試點。

隨著技術的進步和量子通信網路相關基礎設施的建設和完善，量子通信終端設備也會應用於尋常百姓家。

例如未來的手機可以通過連接量子通信終端，獲取量子密鑰，並用之完成數據加密、認證，進而接入量子通信網路。但由於在微波頻段上調製和探測量子信號會導致極高的信息損耗，因此基於無線基站量子通信方案可行性是不大，但藉助可信量子中繼站，以及衛星光量子通信中繼等，可以在未來實現民用的量子通信解決方案。

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