“墨子”号载“四种武器” 量子通信仍待考验 | 焦点

国内的量子通信主要面向政务、国防、金融等长期安全性要求很高的特定应用场景，受限于基础研究成果有限，量子通信的广泛推广还面临诸多技术瓶颈

《财经》记者 孙爱民/文

8月16日凌晨，首颗量子科学卫星“墨子”在酒泉卫星发射中心成功发射。该卫星搭载了中国自主研发的“四种武器”：量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源和量子试验控制与处理机。

在两年的设计寿命期间，“墨子”将与地面科学实验站，构成天地一体化量子科学实验系统。该项目启动于2011年，由中科院院士、中国量子科学研究的领军人物潘建伟团队牵头实施。它也是中国科学院空间科学战略性先导科技专项中首批确定的五颗科学实验卫星之一

自量子理论诞生百年来，科学家在地面实验室里不断重复着量子的奇妙之处。量子是最小的、不可再分割的能量单位，有共同来源的两个量子之间存在着“纠缠”关系，无论二者相距多远，只要其中一个量子状态发生变化，另一个量子就能立即“感应”，并做出相应变化。

“墨子”是一个验证量子理论的空间实验室，将完成星地高速量子密钥分发实验、广域量子通信网络实验、星地量子纠缠分发实验、地星量子隐形传态实验等四大实验任务。

“墨子”或能加快量子通信的发展。量子通信是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。传统的信息安全依赖于复杂的算法，只要计算能力足够强大，再复杂的保密算法都能够被破解。量子通信，则依托于量子自身的特性，计算能力再强也破解不了。潘建伟认为，量子通信可从根本上、永久性解决信息安全问题。

量子通信的安全何来？在量子保密通信中，由于量子的不可分割、不可克隆和测不准的特性，一旦存在窃听就会被发送者察觉，并加以规避。

光子总是以一个整体出现，半个光子的事件从来不会发生，窃听者要么获得完整光子，要么什么都没有获得。而对一个量子体系观测，会对其带来扰动。因此，根据目前的研究，量子世界里不存在“静悄悄地偷看”，既观测而又不对被观测系统产生扰动是不可能的。观测必然会留下痕迹，这些是构成量子密钥安全性的物理基础。

量子通信的关键要素是“量子密钥”，它用具有量子态的物质作为密码，一旦被截获或者被测量，其自身状态就会立刻发生改变。截获量子密钥的人只能得到无效信息，而信息的合法接收者则可以从量子态的改变中得知量子密钥曾被截取过。将量子密钥应用于量子通信中，就是量子保密通信。

量子保密通信可以“一言不合，就秒秒钟换密码”。与传统通话方式相比，量子保密通信采用的是“一次一密”的工作机制，通话期间，密码机每分每秒都在产生密码，一旦通话结束，这串密码就会立即失效，且下次通话不会重复使用。

从1995年，欧洲科研人员在日内瓦湖底进行量子密钥分发的最初演示开始，各国就开始了量子通信的竞赛。2003 年，美国国防高级研究计划局建立了世界首个量子密钥分发保密通信网络。

2013年，美国知名研究机构Battelle 公布了环美量子通信骨干网络项目，计划采用瑞士IDQ公司设备，基于分段量子密钥分发结合安全可信节点密码中继的组网方式，为谷歌、微软、亚马逊等互联网巨头的数据中心提供具备量子安全性的通信保障服务。同年，英国政府发布了为期5年的量子信息技术专项，投入2.7亿英镑用于量子通信和量子计算等方面的研究成果转化。

在量子通信的国际赛跑中，中国属于后来者。2007年，中国科学技术大学在北京实现了国内首个光纤量子电话，之后相继在北京、济南、芜湖和合肥等地建立了多个城域量子通信示范网、金融信息量子通信技术验证专线，以及关键部门间的量子通信热线。2014年，量子通信“京沪干线”项目通过评审并开始建设，计划建成京沪间首个长距离光纤量子通信骨干线路。

目前，国内的量子通信主要面向政务、国防、金融等长期安全性要求很高的特定应用场景，受限于基础研究成果有限，量子通信的广泛推广还面临诸多技术瓶颈。

中国信息通信研究院技术与标准研究所一名高级工程师对《财经》记者分析，国内量子通信的试点应用发展迅速，但在应用推广过程中暴露出了诸多问题。

如量子通信的系统性能有待提高。量子密钥分发系统通过协议改进和发展新型器件进行性能提升的难度较大，其核心器件，如单光子源、高品质纠缠光源、高性能光子探测器等器件的研发进展相对缓慢。

“在实际的量子密钥分发系统中，光源、信道节点和接收机的不理想特性，使其难以满足理论协议模型的安全性证明要求，成为可能被窃听者利用的安全漏洞。”该高级工程师表示，在现有的长距离量子通信传输中，基于可信中继节点的密钥存储和转发，无法满足无条件安全性证明的要求，可能成为整个系统的安全风险点。

传统通信业界对量子通信的应用仍持观望态度，参与程度和热情较低。原因在于对现有系统进行量子通信升级的软硬件改造投入要求较高，而且量子密钥分发系统包含大量精密光学器件，对于日常使用和运营维护也有一定要求。