海水量子通信：讓黑客望洋興嘆

近日，量子通信領域捷報頻傳，上海交通大學金賢敏團隊成功實現首個海水量子通信實驗，在國際上首次通過實驗驗證了水下量子通信的可行性，為量子通信技術上天、入地、下海的未來圖景添上了濃墨重彩的一筆，填補了海洋作為未來海陸空一體化量子網路最後一塊拼圖的空缺。

一石激起千層浪。消息引發了國內外媒體的熱議。海水量子通信技術的實現究竟有何難處？能在哪些領域「大顯身手」呢？

填補最後一塊拼圖

目前，基於光纖和自由空間大氣信道（量子通信衛星）的量子通信已被證明可行。那麼，覆蓋地球面積70%的海洋能否用作量子通信信道呢？

利用可見光進行水下通信的想法可追溯到上世紀60年代，當時，一系列實驗證明400nm-550nm的藍綠可見光在海水中的衰減遠小於其他可見波段，即可作為水下通信的「透明窗口」，隨著美國海軍提出衛星—潛艇通信可行性研究之後，激光對潛艇通信迅速成為美國的戰略性研究計劃。但海水對電磁波能量的吸收作用很強，且波長越短，衰減就越大，即便有這種「透明窗口」，在水下幾米深處對衛星和飛行器進行保密通信，也成為海水的「通信禁區」。

金賢敏對科技日報記者解釋道，海水因為鹽度、懸浮顆粒，以及密度變化導致折射率變化等因素，對光子導致的散射和吸收效應相對大氣和光纖要大得多，海水能否作為量子通信信道一直是個未解之謎，英美科學家做過一些理論研究，但迄今未曾進行過實驗探索。

金賢敏說：「其實，海水也有一個光子傳輸時損耗較低的藍綠窗口，且其能被商用單光子探測器探測到。因此，海水量子通信理論上是可行的。而且，缺少了海洋，全球化的量子通信網路是不完整的。」

在最新實驗中，他們選擇光子的極化作為信息編碼載體，並通過模擬證明，在非常大的損耗和散射下，極化編碼的光子只會丟失，而不會發生量子比特翻轉。也就是說，即使經歷了海水巨大的信道損耗，只要有少量單光子存活下來，仍可被用於建立安全密鑰，證明了海水量子通信的可行性。

國外媒體稱之為里程碑

最新成果於8月以《邁向自由空間海水中的量子通信》為題的長文，發表在國際光學領域著名期刊《光學快報》雜誌上，並被選為編輯推薦文章。

嗅覺靈敏的國際科學雜誌《新科學家》緊隨其後，本月23日也以《首個水下量子糾纏將導致不可破譯通信技術》為題進行了報道。加拿大量子衛星項目負責人托馬斯·詹內懷恩對《新科學家》雜誌表示，雖然以前也討論過水下量子通信的想法，但一直沒有任何人做過這樣的實驗。

同日，美國知名科技博客「TheNextWeb」以《科學家發展了基於海水傳態的不可破譯通信技術》為題進行了報道。美國基礎問題研究所（FQXI）更是將該工作視為繼「墨子號」量子衛星之後，中國在量子通信領域的又一里程碑工作。

《每日郵報》在24日的報道中指出：「最新技術朝著在全球海洋中，使用激光發送無法破解的互聯網數據邁出了重要的第一步。」

有望在軍事領域大展拳腳

海水量子通信有何具體應用呢？詹內懷恩對《新科學家》雜誌說：「藉助海水量子通信技術，潛艇將能以更安全的方式相互通訊。」

金賢敏團隊的實驗結果顯示，可預期的水下量子通信最遠距離可達數百米，雖然這個距離相比光纖和大氣信道較短，但能對水下百米量級的潛艇和感測網路節點等進行保密通信，已經足以在軍事和高商業機密領域「大顯身手」。

金賢敏滿懷憧憬地說：「未來，我們可以想像一個由數百個相距百米的海上移動基站所構成的海上局域量子通訊網路，或者是由一艘艦艇作為中繼站，來保證衛星與海底潛艇之間絕對安全的量子通信。」

不僅如此，《每日郵報》的報道還稱，使用水下方法傳輸數據會比藉助衛星傳輸更快且更廉價。

海陸空一體量子通信時代可期

《新科學家》雜誌的報道指出，儘管這一實驗取得了成功，但我們並不清楚這是否足以創建出一個通信系統。

美國密蘇里大學的傑弗瑞·烏爾曼也說：「因為海水會吸收光，所以，要想延長距離很難。一個解決辦法是使用中繼站，但此刻而言，距離實際應用還有比較長的路要走。」

對此，金賢敏表示，這只是一個開始。他們計劃在未來進行外場實驗，攻克一系列技術難題，比如克服海水的晃動對光子的影響，進一步提高光子在海水中的傳播距離。此外，他們還會探索利用糾纏光子來實現水下量子隱形傳態，探索量子中繼實驗的可行性。

金賢敏說：「也許，在不久的將來，可實用的水下、空海一體的量子通信時代即將到來。」

後記

量子技術尤其是量子通信已成為新時代的科技發展熱點，引無數國家競折腰。如歐盟在2016年3月發布《量子宣言》，並於兩個月後在歐盟量子大會上宣布啟動10億歐元的「量子技術旗艦計劃」，以確保歐盟在量子技術領域的領先和主導地位；美國當然也不甘示弱，美國國家科學基金會（NSF）也於2016年6月正式提出將「量子飛躍：引領下一代量子革命」作為未來重點支持的六大科研前沿之一。中國也在量子通信領域不斷發力並相繼取得重大突破。8月10日，「墨子號」量子衛星提前並圓滿實現全部三大既定科學目標：量子糾纏分發、量子密鑰分發、量子隱形傳態。所有這些，讓我們對量子通信技術的未來充滿了信心。

註：文中圖片除註明外均來自網路

編輯：王小龍

審核：管晶晶

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