量子通信：絕密的未來通信通信资讯

　　量子通信技術基於量子物理學的基本原理，克服了經典加密技術內在的安全隱患，是迄今為止唯一被嚴格證明是無條件安全的通信方式。為了拓展應用、與現有通信系統相容以及大量減少成本，需對點對點的通信方式進行組網並充分利用經典通信設施。與此同時，量子克隆技術的出現也使得我們開始重新審視量子通信的安全性問題。量子通信是相對最安全的，但任何事情都不是絕對的，有矛就有盾。一方面有“量子非克隆原理”，另一方面有實現近似量子克隆的“量子克隆機”。怎樣可靠地評估安全性？怎樣進行攻擊？是值得研討的問題。在不久的將來，量子通信與經典通信的融合發展將會帶來通信世界的新紀元。

　　近期，國內頂尖專家們來到西苑沙龍，就量子通信的現在與未來，展開了深刻的探討。

　　什麼是量子通信？

　　在量子的世界中，對於一個微觀的粒子，測量過程本身將不可避免的給我們要測量的物體造成一個顯著的擾動，而且即使在原則上，我們也完全沒辦法把這一擾動減小到零；另一方面，觀測行為本身又會破壞粒子原來的狀態，讓你永遠不可能知道粒子本來的狀態是什麼。這就是量子不可克隆原理：你不能夠複製一個未知的量子態，而不改變數子態本身。量子不可克隆原理是量子加密的基礎。如果我們把想要保密傳輸的資訊，載入到一個個不可能被準確觀測和複製的量子態上，而任何的竊聽行為都會改變原本傳輸的數據。那麼最後我們取一部分數據出來，檢查原本傳輸的資訊是否被破壞，就能夠檢測到竊聽者是否存在。

　　整個量子通信中，具有短期內真實的應用潛能的就是量子保密通信，其中最有用的部分就是量子密鑰分發。經典通用最廣泛的公鑰密碼，是假定一些數學難題，最典型的是假定大型數據分解的數學難題。但是，隨著計算能力的不斷提高，特別是未來量子電腦如果實現的話，這種數學難題的複雜性就迎刃而解了，換句話説，經典保密通信基於的數學方法不能獲得嚴格的數學證明。在這個背景下，量子保密通信最大的賣點就是它的安全性獲得了嚴格的數學證明，這也可以從其基本的量子力學的基本原理來解釋。

　　量子通信另一個核心內容是隱形傳輸，是利用了光子等基本粒子的量子糾纏原理來實現保密通信過程。糾纏是一種詭異的超距離相互關聯的現象：兩個糾纏在一起的粒子，即使被完全隔離，當觀測一個粒子的狀態時，另一個粒子的狀態也會發生暫態的改變。換言之，兩個粒子的量子狀態是完全關聯的。量子物理讓人最不可思議的地方在於，事物的狀態並不是唯一確定的。對於宏觀的硬幣而言，只可能存在兩種狀態：正面朝上或是朝上。但對於一枚量子硬幣，它可以既是正面朝上又是朝上。對於兩枚糾纏在一起的量子硬幣，如果發現其中一枚是正面朝上，另一枚也一定是正面朝上；當發現一枚是朝上，另一枚也一定是朝上；如果發現一枚既是正面朝上又是朝上，另外一枚也一定既是正面朝上又是朝上。因此，糾纏所包含的關聯性，要比我們通常理解的宏觀上的關聯性強得多。

　　事實上，糾纏的兩個粒子儘管可以在很遠的距離上一個影響另一個，但它們無法傳遞任何資訊。以密鑰為例，當雙方共用同一套密鑰時，並沒有發生資訊的傳遞，直到加密的文本傳來，密鑰才有意義。量子通信和傳統通信的唯一區別在於，量子通信採用了一種新的密鑰生成方式，而且密鑰不可能被第三方獲取。

　　向全球的量子通信網邁進

　　發展量子通信技術的終極目標是構建廣域乃至全球範圍的絕對安全的量子通信網體系。通過光纖實現城域量子通信網連接一個中等城市內部的通信節點、通過量子中繼實現鄰近兩個城市之間的連接、通過衛星與地面站之間的空間光子傳輸和衛星平臺的中轉實現遙遠兩個區域之間的連接，是實現全球廣域量子通信最理想的線圖。

　　在這一線圖的下，歐洲、美國和中國等在過去幾年中均進行了戰略性部署，投入了大量的科研資源和開發力量，進行關鍵技術攻關和實用化、工程化探索，力爭在激烈的國際競爭中佔據先機。光纖量子密碼技術目前正從點對點量子密鑰分發的初級階段向實現多節點網內的量子安全性方向深入發展階段，全球各地正在加緊進行量子通信系統的實用化和工程化建設。

　　由美國國防部高級研究署（DARPA）支援， BBN公司（具有很強的軍方特色）技術部聯合波斯頓大學與哈佛大學共同開展了量子保密通信與IP 網際網結合的五年試驗計劃。該計劃主要內容是以BBN技術部、波斯頓大學和哈佛大學作為三個節點以構建融合現行光纖通信網、網際網和量子光通信的量子網際網，並在此基礎上實現保密通信。

　　在歐盟發佈的《量子資訊處理和通信：歐洲研究現狀、願景與目標戰略報告》中給出了歐洲未來五年和十年量子資訊的發展目標，例如將重點發展量子中繼和衛星量子通信，實現1000公里量級的量子密鑰分配。歐洲空間局計劃到2018年將國際空間站上的量子通信終端與一個或多個地面站之間建立空間量子通信鏈，首次演示絕對安全的空間量子密鑰全球分發的可行性。歐盟在2008年9月發佈了關於量子密碼的商業白皮書，啟動量子通信技術標準化研究，並聯合了來自12個歐盟國家的41個夥伴小組成立了SECOQC工程。

　　日本提出了量子資訊技術長期研究戰略，計劃通過高強度的研發投入，在5至10年內建成全國性的高速量子通信網。日本郵政省將把量子資訊確定為21世紀國家的戰略項目，日本的NICT也啟動了一個長期支援計劃。日本國立資訊通信研究院計劃在2020年實現量子中繼，到2040年建成極限容量、無條件安全的廣域光纖與空間量子通信網。

　　另外，一些世界著名的公司也對量子資訊技術投入了大量研發資本，介入了産業化開發，例如：美國電話電報公司（AT&T）、Bell實驗室、IBM、Hewlett-Packard，荷蘭Philips，日本Hitachi、NEC、NTT、Toshiba，英國電話電報公司，德國西門子公司等。2010年10月，日本在東京展示一個由NEC、Toshiba、三菱電子等公司支援建設的量子通信網。由此可見，大型國際企業已經實際地介入了量子通信技術的研發和産業化。

　　而我國在這方面處於國際領先水準，已經實現了超過兩百公里（世界紀錄）的安全資訊傳輸，實用化安全傳輸距離已達到幾十公里，量子通信網技術已發展成熟。

　　實用化進程：與經典通信的融合

　　從目前的實際應用來看，將量子通信網與現有網進行融合是最優的發展戰略。網際網在設計時並沒有深入地考慮安全性，這造成當今的網安全問題十分突出。量子通信是人類能掌握的最保密的通信技術，量子通信和經典通信網的融合研究對於提升未來網的安全性具有重要的意義。

　　量子通信和經典網的融合需要解決物理層和組網技術、中繼技術和通信應用技術等幾個方面的融合問題。對於未來網，應當從基礎設施的建設和利用上就考慮和量子通信的融合。由於傳統的光通信可能在很長一段時間內仍然是主要通信技術手段，在光通信網上實現量子通信網，將是融合的基礎。

　　實際的量子通信中，量子通信與現有通信的融合是一個相互取長補短的過程，量子通信不會完全替代現有的通信技術，而是在現有的技術上在物理層、網層、應用層將兩者進行了融合。

　　從物理層來説，可以從光源、探測器和信道方面考慮。在光源方面，利用單光子源或者單離子源，或者將鐳射光源衰減到單光子量級應用到實際工程中；在探測方面，因為是單光子信號源，需要特測器有單光子量級特徵，對量子密鑰分發中的連續變數進行測量；在信道方面，對於不同的光源用不同波長的商用光纖即可滿足條件。

　　從網層來説，一方面我們可以採取獨立的信道和統一的網結構，也可以用一根光纖既傳遞量子信號又傳遞經典信號；除了光纖技術，還需要採取例如基於糾纏交換的量子中繼技術來解決量子通信的遠距離傳輸這一核心問題；此外，在組網的往來上，可以採取電交換或者波長復用技術，並且增加量子由器來進行控制。

　　從應用層來看，我們可以跟現有的網際網安全協議結合，用量子密碼來替換現有協議中的初始密碼，這樣既可以得到更高的安全性也可以保持實際的通信速率。現在實際用到的量子保密分發的方法都是用誘騙態量子密鑰分發的方法。而一旦用量子的方法産生密鑰，則必須與後繼的經典通信結合才能實際應用。比如，我們用量子密碼生成種子密鑰，然後用經典的方法進行擴張，這樣既保證了種子密鑰的安全，同時也有很高的通信效率。

　　專家視點

　　于淥 中國科學院物理研究所研究員，中國科學院院士

　　量子通信從原理小範圍專用問題的實用化，是現在全世界都在努力的方向。中國的起步不錯，也有很好的學術帶頭人，下一步的發展就是明確定位的問題。一方面是注意與現有通信的融合，要善於借鑒現有的通信技術；另一方面，安全性是量子通信在實際應用中的體現，應在未來制定量子通信安全性標準。

　　王向斌 清華大學教授

　　量子密鑰分發的實際産業化應用應該著眼于未來並注重定位，重點發展局域性的重點需求網，而不是強調現有網一樣的廣泛性和高功能效率。另外，任何實際的系統都不是絕對安全的，量子通信目前重點先要解決的安全問題應放在光源、信道和檢測方面。最終目標是促進量子保密通信産業化。

　　余少華 武漢郵電科學研究院總工程師、光纖通信技術和網國家重點實驗室主任

　　量子通信不會完全替代現有的通信技術，實際的量子通信中，量子通信與現有通信的融合是一個相互取長補短的過程。密鑰分發與傳統密碼要區分開來，要突出有優勢的“一次一密”角度。另外，量子通信還要解決速度的問題，努力實現大規模廣覆蓋。

　　范桁 中科院物理研究所研究員

　　量子通信從量子力學的原理上來説是絕對安全的，但是實際上量子態可以被近似的克隆。比如在信道中將部分量子態截獲下來，這就是量子克隆機對量子密鑰分發的攻擊。目前，我們可以用一種特殊的相位量子克隆來對量子態進行一定的攻擊。未來我們希望有更接近實際的安全性證明。

　　趙勇 中國科學技術大學高級工程師，中科院量子技術與應用研究中心副主任

　　對於量子密鑰的推廣，我們不能摸著石頭過河，而是要重點關注現在需要解決的問題。怎麼利用現有和未來發展的網際網技術或者下一代網優勢，提出更滿足未來需要的網，是一個取長補短，互相融合、互相學習的過程，也是將來的工作方向。

　　紀越峰 郵電大學教授

　　量子通信下一步發展重點是量子密鑰分發中的量子通信聯網應用，其中可信傳輸與光子交換技術是重中之重。量子通信面臨四項難點：可擴展、強抗毀、廣覆蓋、立體化，另外光網上的基本特徵怎麼融合量子通信也是要考慮的問題。總之，量子密鑰分發在未來推廣應用方面面臨兩大挑戰：融合性和安全性。

　　銀振強 中國科學技術大學副教授

　　任何實際系統總是存在安全性問題，量子密碼的時代也必然存在密碼安全性的問題。深入研究量子密碼分配系統各種器件的物質才有可能解決安全性的問題，研究更安全的實際系統的設計與架構，探索新的量子密鑰的協議。

　　李鳳華 中科院資訊工程研究所研究員

　　量子通信首先應該在網際網時代找準自己的定位，另外量子通信目前應該重點關注量子密鑰分發。相對於傳統的通信來説，量子密鑰分發在速度方面的“一次一密”的角度上還是有優勢的，目前應該應用的重點在高端、重要的通信當中，特別是在幹線網上。

　　龍桂魯 清華大學教授

　　量子通信從原理上可以保證安全，但實際上由於器件、單光子發射、探測等方面的缺陷，出現了種種攻擊。改善器件有一個過程，每一個階段有一定的發展水準，對於重要的實際應用方面的安全問題，可以在現有的水準上把量子通信與現有通信結合起來，來加大資訊的安全。