量子通信:天地一体化量子保密通信网络

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量子通信原理示意

墨子号

全国政协委员、中科院院士、中国科技大学常务副校长潘建伟在“委员通道”接受记者采访时表示,量子通信原理上可以提供一种不能破解、不能窃听的安全信息传输方式,它在国防、政务、金融、个人信息保护等方面都起到了积极的作用。通过未来5~10年的努力,希望能够构建一个天地一体化的量子保密通信网络,来保护千家万户的信息安全。

在国家高度重视和大力支持下,“天地一体化广域量子通信技术研究团队”经过长达10余年的协同攻关,取得了天地一体化广域量子通信技术的重大突破。2017年,世界首条量子保密通信干线——“京沪干线”正式开通,结合“墨子号”卫星,中国和奥地利之间在国际上首次成功实现了距离达7600千米的洲际量子密钥分发,标志着天地一体化广域量子通信网络雏形已经形成。

量子通信是利用量子比特作为信息载体来传输信息的通信技术,可在确保信息安全、增大信息传输容量等方面突破经典信息技术的极限。量子通信有两种最典型的应用,一种是量子密钥分发,另一种是量子隐形传态。量子密钥分发克服了经典加密技术内在的安全隐患,是迄今为止唯一被严格证明是原理上无条件安全的通信方式,可以从根本上解决国防、金融、政务、商业等领域的信息安全传输问题。

这项高科技已经为60周年国庆阅兵、党的十八大、十九大、纪念抗战胜利70周年阅兵等国家重要政治活动提供了信息安全保障。中国银监会银行业监管信息报送、中国人民银行人民币跨境收付信息管理系统、中国工商银行网上银行数据异地灾备系统、阿里巴巴商业数据加密传输等等,用的都是量子保密通信技术。

潘建伟介绍说,在量子通信技术的研发过程中,首先要面对的是制备单个光量子的技术难题。他举了一个非常形象的例子,来解释这一关键技术的难度:一个普通的15瓦左右的灯泡每秒钟辐射出的光量子个数可达百亿亿个,想要实现单个光量子的制备就如同在这百亿亿个光量子发射出来的瞬间捕捉到其中的某一个,技术难度可想而知。另一个难题是单光子的探测。单个光子已经是光能量的最小单元,能量是非常微弱的,需要发展出非常精密和高效的单光子探测技术。具备了单个光量子的制备和探测能力后,才能够实现安全的量子通信。这仅仅指的是地面上的量子通信,而要实现量子卫星与地面的星地通信难度更可想而知。

“简单地讲几件事情,你会大致明白究竟有多难。”全国人大代表、“墨子号”卫星发射总指挥、中科院上海分院院长王建宇细数了“墨子号”卫星的种种难关,“举个例子,要从1000千米的高度把一个个光子发射到地面站,这就好比在万米高空高速飞行的飞机上,同时向地面两个旋转的投币口细长的储蓄罐扔进一个个硬币。储蓄罐的投币口是细长的,相当于光的偏振,它是有方向的,硬币要把方向对好才能扔进去,而且不是扔一个,要两边同时都扔准才行。”根据计算,一根火柴划一下大概有1017个光子,而卫星地面站的探测能力,相当于在地球上的人不用任何仪器,要发现在月亮上有人划了一根火柴。“此外,还要在每秒一亿个光子里面,搞明白我们探测到的是第几个光子,这些光子都是排好队的,抓一个就要知道它是第几个,这样才能用来做密钥。而这对于量子通信的诸多难题而言,只是非常简单的一个小细节。”王建宇说。

这个领域国际竞争非常激烈。为此,我国进一步发力。国家发改委最近正式启动国家广域量子保密通信骨干网络建设项目,计划通过10年左右的努力,建成面向“一带一路”、服务国家战略需求、规模最大、技术最先进的总里程约3.5万千米的量子保密通信互联网。“我国在‘十三五’期间,要在量子信息科技领域实施重大科技项目,同时组建新型国家实验室。通过全国相关科技力量的协同创新,我们非常有信心继续领跑世界。”潘建伟说。 

责任编辑:实习编辑 臧航

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