中國會成為量子通訊領域的主宰嗎？

知識 02-06

中國科學家已經成功建起兩大量子通訊主體工程，不僅如此，中國人在這條路上從未止步。

圖片版權：美國物理研究所

作者：Yuen Yiu

來源：AIP InsideScience

2017年9月29日，潘建偉教授啟動水晶球，這一刻標誌著第一條遠程量子通訊線路正式上線運行，其全長1200英里，連接著首都北京和沿海大都會上海。這一天，對於量子物理學家和科技愛好者來說，都是一個值得慶祝的日子。然而，好戲還遠不止這些。

就在同一天的奧地利首都維也納，潘教授的博士生導師安東·蔡林格接到他的同事從中國打來的視頻通話。當然，這並不是簡簡單單的Skype聊天，而是第一條通過量子編碼的視頻通話會議。讓這一切成為現實的，正是中國的量子通訊衛星——墨子號！

中國和奧地利之間的量子安全洲際視頻通話；供圖：中國科學院

這兩項壯舉受到了科學界的極大推崇，全球各大新聞媒體競相報道。這事到底有多重要？如果想要明白它們的意義，你首先得了解：到底什麼才是量子通訊？

簡單來說，量子通訊是一種新型的、絕密的溝通和交換數據的方式。今天，無論是政府部門、公司機構還是每個個人，網路安全和隱私保護日益受到大家的重視。而量子通訊將可能徹底改變其中的遊戲規則。

為了詳細回答這個問題，我們先從一種神奇的量子現象——量子糾纏說起。

量子通訊小白書

對黑客免疫的量子通訊技術，聽起來有點像科幻小說中的內容，但其核心的理論基礎，實際上在很早以前就被人們發現。早在1982年，科學家威廉·沃特思、沃伊切赫·祖雷克和丹尼斯·迪克斯就首次提出了「不可克隆原理」，即：粒子，比如光子，所攜帶的量子信息是無法被完全複製的。也就是說，如果人們能以量子信息的形式來傳輸數據，黑客將不可能秘密地竊聽到信息。

簡單而言，其原理是這樣的：在量子通訊中，兩端的用戶直接、同時共用一對粒子對，形成所謂的量子糾纏態，這意味著它們的量子屬性是相互聯繫的。而這些粒子對，通常就是光子，打個比方，就像一對對口味匹配的糖果。這種配對的產生是隨機序的，一旦在發送者和接收者之間成功產生配對，就將編譯出一條秘密的特殊相序（相當於一串隨機密碼）——檸檬口味，櫻桃口味，葡萄口味等——而這將會加密後續的傳輸數據。由於唯一檢測這些糖果味道的方法就是吃掉它們，任何被黑客竊取偷吃的糖果都將會從核心相序中被自動清除（相當於密碼失效），進而黑客無法竊聽。

英國量子通訊和量子科技中心（英國多機構合作項目機構，目前正在執行中）的負責人，提姆·斯皮勒教授曾表示：人類很早就認識到量子通訊的可行性，但是只有中國，踏實地邁出了第一步，對這項使命作了大規模的基礎項目投入。

事實上，從2004年開始，小範圍的量子通訊系統就已不斷出現。現在，你可以輕鬆的從網上購買到量子加密盒。一些銀行也在使用量子通訊技術來傳遞信息，只不過是短距離的，這主要受限於技術壁壘。現在，中國科學家們攻克了這些技術限制，使得量子通訊的範圍變得非常廣闊。

防禦黑客的電訊戰役

新建成的京滬量子通訊線路連接起北京、天津、合肥和上海，總距離長達1200英里。一些主要的商業銀行正在逐步使用這條量子通訊線路來傳輸隱秘的數據。

中國的第一個遠距離量子通信線路，供圖：中國科學院

然而，雖然說新建成的京滬量子通訊線路技術上是量子化的，但它並沒有達到百分百安全。光子，或者說光波，在光纖中只能傳播不超過100 公里的距離，否則光波會因過度衰減而無法準確傳遞信息。所以，信號需要被中轉，實現這種中繼功能的部件我們稱之為結點，它先破譯量子信息，然後重新編譯，再繼續傳遞出去。這一過程會使得結點很容易受到黑客的攻擊。京滬量子通訊線路上就有32個這樣的結點。

中國科學技術大學上海研究院的陳宇翱教授表示，使用結點技術，相比於傳統光纖光學技術來說，在安全方面已經取得了很大的進步。

陳教授繼續補充到：「在京滬量子通訊線路建立之前，原則上，黑客是可以竊聽整條光纖線路的任意部位。現在，可受攻擊的點被大大縮小到只有32個。」陳教授所在研究小組主要負責中國大規模量子通訊工程，而他的領導則是大名鼎鼎的潘建偉教授，在中國，被譽為「量子通訊之父」。

要想讓量子通訊系統做到百分之百安全，這些結點本身也必須能夠免疫黑客攻擊。科學家們就此正在研究新的解決方案：量子中繼器。

量子中繼器和傳統普通中繼結點所承擔的功能相同，只不過工作原理和方式變了。使用量子中繼器的網路，看起來更像家譜樹，而不再是簡單的線性鏈條。在形同家譜樹的電訊網路中，量子中繼器扮演著父母的角色，在兩個孩子之間分配相同的量子密鑰對，這樣就等於加倍了兩個用戶之間的可通訊距離。然後，這些「父母」還有自己的「父母」，他們同樣可以分配密鑰而加倍後代的通訊距離。這樣，隨著家譜樹每增加一層「父母」長輩，最底層的孩子之間的通訊距離就相應可以擴大一倍。這個過程實際上已經大大延長了量子信息的傳輸距離，但是整個過程並沒有涉及到破譯編碼。

儘管從原理上看起來，量子中繼器設計很簡單，但實際上，每增加一層「父母」層，都會產生一系列新的技術難題，比如數據中的額外噪音。最近，陳宇翱教授和他的研究團隊，在物理學評論快報（PRL）上發表了關於如何建立包含「祖父層」（即三層）的量子通訊家譜樹的實驗結果，這一結果將理論上完全免疫黑客攻擊的量子通訊距離擴大到原來的四倍。不過，對於超過數千英里的國際距離來說，家譜樹可能需要建立到曾曾曾曾曾祖父的程度才能滿足需求。

或者你可以選擇去太空。

太空中的量子通訊

首顆量子通訊衛星，英文名「Micius」，於2016年成功發射升空。這顆衛星是以中國古代著名的科學家、哲學家，墨子，來命名的。墨子生活在公元前400年左右，是第一個以書面形式記錄針孔相機工作原理（小孔成像）的人，其中還包括了對「光的直線傳播原理」的描述。

兩千多年後的今天，以他的名字命名的這顆衛星，讓遠在4600英里之外的北京和維也納的科學家們能夠進行世界上首例基於量子編譯技術的視頻會議。

墨子號以每小時18000英里的速度划過夜空，它將一對糾纏的光子對拆開，一半發送給北京長城腳下的興隆天文台，不到一個小時之後，墨子號穿過奧地利的上空，將另一半的糾纏態光子發送到坐落于格拉茨城外的阿爾卑斯山坡上的Lustbühel天文台。這一過程就完成了整個量子密鑰的分配。

興隆天文台和墨子號量子衛星間通信示意圖（延時）：地面天文台通過810nm紅色激光跟蹤墨子號衛星，墨子號使用532nm綠色激光和地面聯繫，該圖中的綠色虛線顯示了衛星划過天空的路徑。供圖：Ying-Wei Chen

「這些工程項目和科學實驗研究的成功，讓中國在量子通訊領域國際領先。這正展示了科學發現可以帶動科技發展，同時發展了的科技又會再次促進科學發現，兩者相輔相成，相互促進。」這是印娟博士在寫給「Inside Science」刊物的郵件中提到的。印娟博士也是潘建偉教授研究團隊中的一員，她來自於中國科學技術大學，是近期在PRL上發表的關於這一里程碑式的視頻通話背後的科學發現的文章作者之一。

據印娟博士所說，儘管新的里程碑層出不窮，量子通訊科技領域還是有很大的發展潛力。由於量子通訊衛星需要視野來傳輸數據，這樣，衛星能覆蓋的通訊區域就是很有限的，它必須直接飛過目標用戶的上空。當然，衛星選擇更高的軌道，可以擴大其覆蓋的範圍，但是這麼做就需要地面觀測站以及衛星本身有更高水準的定位跟蹤精度。

據一位來自多倫多大學的量子信息科學家Hoi-Kwong Lo教授說：對於這一難題，一種解決的辦法就是通過發送更多的衛星，進而建立全球的衛星通訊網路。然而，如果不同的組織機構或政府都在該網路中發射衛星，那麼參與者就不得不關心起網路通訊協議或者他們彼此的可信賴程度。

同時，帶寬也存在著限制。以目前的水平，衛星需要發射600萬個光子，地面接收站才能接收到其中的一個。而且，在白天使用這套系統簡直是妄想，強烈的太陽光線會將本來就微乎其微的衛星信號完全湮沒。這就有點像在陽光炫目的午後，在巨大的足球場上尋找一隻小小的螢火蟲。

另外，帶寬同時還取決於衛星能夠產生和存儲的糾纏態光子的數量。目前，墨子號的極限速度是每秒幾千位元組。這一速度足夠滿足兩個科研團對之間傳遞一些量子密鑰，但是當面對全球數以百萬計的網民，如果他們同時傳遞私密敏感的信息時，這速度就顯得遠遠不夠了。相比於墨子號，京滬量子通訊線路的傳輸速度會稍微快一些，但是並沒有量級上的區別。

正如Hoi-Kwong Lo教授所說：「這正如同互聯網，一旦跨過點對點的設置，去建立網路系統，就會有很多的實際困難出現，需要我們去思考攻克。」

雨後春筍

在中國，有一句諺語叫「雨後春筍」。潘建偉教授在今年年初上海舉辦的科學研討會上，便引用了這句諺語，來描繪當前量子通訊領域的發展勢頭。他預言，量子通訊就宛如被雨水充分滋潤的春筍一樣，會迅猛發展。

然而，手機或者攜帶型筆記本電腦在很長一段時間內還沒法使用該技術。

正如英國量子科技中心的提姆·斯皮勒教授所說：「目前這些設備體積都非常龐大，而且價格昂貴，個人是不可能去購買的。如果是電信通訊供應商，倒是還有購買的可能。」

提姆·斯皮勒教授繼續補充到：「未來，我們可能會把這些設備都集成在一塊小小的晶元上，然後安裝到每一台電腦上。想做到這些，就必須要有重大的科技進步，很艱難，但決不是天方夜譚。」

由於量子通訊技術的實用價值越來越顯著，各個國家之間的競爭也隨之趨於白熱化。目前，潘建偉教授的科研組是被世界大多數國家公認為的量子通訊領域的領頭羊。當然，取得如此輝煌的成績離不開中國政府的大力扶持。中國政府還將增加100億美元的投入，打造全新的量子信息科學研究中心。國家量子信息科學實驗室將坐落於安徽合肥，目前正在建設中，有望於2020年建成。