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量子通信—— 一种绝对安全的通信方式

     文章作者:瞭望智库    发布时间: 2016-08-18    点击次数: 599

一种绝对安全的通信方式

  量子信息科学是量子力学与经典信息科学相结合的一门交叉热点学科,它的研究领域主要包含三个方面,分别是量子计量、量子通信和量子计算。目前,量子计量和量子计算还处在科学研究阶段,量子通信研究则最广泛也最接近实用化。量子通信主要分为两类,一是量子保密通信,另一是量子隐形传态。这里我们主要讲前者。

  量子保密通信,又称量子密钥分配,是目前人类认知水平下唯一被证明绝对安全的通信方式。它的功能是在通信双方(Alice和Bob)之间实时动态地分配密钥,保障通信的绝对安全。

  传统的保密通信是在Alice和Bob见面时预选分配好密钥,或者派专人递送密钥,这种方式使用不便,且成本昂贵,通常应用在潜艇与基地之间通信等特殊场景。而量子密钥分配可在Alice和Bob之间建立量子信道,根据需要实时地分配密钥,若在密钥分配时遇到攻击或窃听,均能被Alice和Bob察觉。

  举个例子,Alice给Bob发一条秘密短信,Alice先和Bob通过量子信道分配共享密钥,再用该密钥加密需要发送的短信,Bob收到加密的短信后用相同的密钥就可以读出信息,整个过程完全不用担心被黑客攻击或窃听。

  密钥类似于保密柜的钥匙,量子密钥分配就是给Alice和Bob各分配一把一模一样的钥匙。Alice将要发送的短信锁入保密柜,将保密柜邮寄给Bob,Bob收到保密柜后用与Alice一样的钥匙解锁即可读出短信的内容,其他人拿到保密柜也没用,因为他们根本不知道钥匙长什么样。

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量子保密通信示意图

 

为重大军政活动提供技术支撑

  现代人们的生活与密码息息相关,我们的银行卡、邮箱、支付宝账号等都需要密码来保护。1984年C. Bennett与G. Brassard提出第一个量子保密通信协议,开创了量子通信这个新兴热门的研究领域。

  我们使用最广泛的一种密码是RSA密码,是基于“大数质因子分解”这个数学问题难以求解来保障安全的。然而,如果有足够强的计算能力,这种密码体系就很容易被攻破。

  1994年,在AT&T贝尔实验室工作的Peter Shor提出了基于量子计算机的量子质因子分解算法。对于一个129位阿拉伯数字进行质因子分解,用上千台现代计算机花费数十年时间才能完成,而量子算法对比它大100万倍的运算只需几分钟时间。

  这给RSA密码系统的安全性带来了灾难性的挑战——虽然量子计算机的出现还为时尚早,但是一旦量子计算机由理论变为现实,许多基于计算安全性的主流保密通信系统,将再无安全可言,它给密码学带来了巨大威胁,因而促使了众多学者关注量子保密通信。

  经过30余年的高速发展,量子保密通信经过了基础研究和技术突破阶段,已经逐步实用化。目前,其应用主要集中在对信息传输安全性要求高的领域,比如政务、军事、金融、大型企业等。

  2004年,奥地利银行在世界上首次采用量子保密通信技术将一张重要支票从市长处传至银行。2007年,瑞士全国大选的选票结果采用了量子保密通信传送,以保证结果的绝对安全。

  我国在2009年60周年国庆阅兵、2012年党的十八大会议、2015年中国抗战胜利暨世界反法西斯战争胜利70周年大阅兵,均构筑了“量子通信热线”,部署了量子加密电话网、量子加密数据传输设备,量子通信设备运行稳定、效果良好,为我国重大军政活动提供了基于量子安全的技术支撑,得到国家有关部门和领导的高度肯定和评价。

大国激烈竞争中,量子保密信息网逐步覆盖全球

 

  近年来,世界许多国家都在验证和建设量子保密通信网。2003年至2007年,美国DARPA建设了10个节点的量子通信网络,之后美国国家标准技术局、美国阿拉莫斯国家实验室等分别建设和运行着小规模的量子保密通信网。在中国宣布“京沪干线”量子保密通信工程之后,美国启动了覆盖全国的量子环网计划。

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美国量子环网计划

  欧洲在2004年至2008年,由41个研究单位和企业共同建设和运行了SECOQC量子通信网络,瑞士和西班牙也相继建设了各自的量子通信网络。近期,欧盟发布了《量子宣言》,将在2018年启动一项10亿欧元的量子技术旗舰计划,目的是让欧洲在量子技术研究方面处于领先地位。

  2010年,日本建成了日本东京量子通信网,演示了视频会议,和可应用于移动通信的量子通信手机和密钥存储卡。南非、泰国、澳大利亚等国也建立了各自的量子通信实验网。

  我国在2007演示了北京四节点量子网络,之后于2009年建设了世界首个量子政务网——芜湖量子政务网。2012年建设了46节点合肥城域量子通信示范网,是全球首个规模化的量子通信网络,连接40组“量子电话”用户和16组“量子视频”用户。

  2012年,新华社和中国科技大学合作建设了世界上第一个金融信息领域的量子通信应用网络。2014年,建设完成了“济南量子通信试验网”,该试验网在济南市区拥有50个节点用户单位,服务用户90个。

  2013年,我国启动了“京沪干线”量子保密通信工程,将建设连接北京、上海,贯穿济南、合肥等地总长2000余公里的高可信、可扩展、军民融合的城际量子通信网络,预计2016年底交付使用。

  “京沪干线”是世界上首个广域光纤量子保密通信骨干线路,连接原有的山东“济南量子通信试验网”和安徽“合肥城域量子通信试验示范网络”,基于可信量子中继,形成大尺度广域量子保密通信网络,完成远距离光纤量子保密通信技术的集成验证,以及多媒体、金融、电子政务等多项应用示范,开展技术标准和系统安全性评测认证的相关研究。

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量子卫星实现“京沪干线”与新疆之间的长程量子通信

  量子通信网络的建设以及量子通信技术的加速应用带动了量子通信产业的快速发展。随着产业化推进,吸引了一批公司从事量子通信设备的研制、生产和销售,比如美国雷神公司(BBN)、英国QinetiQ公司、瑞士IDQuantique公司、日本东芝公司(Toshiba)、日本电气株式会社(NEC)、三菱公司(Mitsubishi Electric Corporation)、日本电报电话公司(NTT)、中国国盾量子、安徽问天量子等公司。

 

第一颗量子卫星,中国开启全球量子通信时代

 

  科学家们一直致力于全球化量子通信的研究,然而要实现全球化量子通信,需要突破距离的限制——光纤量子通信的距离在百公里量级,只能实现城域网的量子保密通信;结合量子中继器,可进一步实现城际网的量子保密通信,距离可达到上千公里,然而量子中继器距离实用还有较长时间。通过卫星实现超远距离的全球量子通信是目前国际公认的最为可行的实现方案。

  2008年,欧洲安东·赛林格(A. Zeilinger)等科学家就提出在国际空间站率先开展星地量子通信的方案,但是该方案最终未给出明确日程。赛林格是潘建伟的导师,他们各自率领着空间量子通信国际上领先的研究组,在远程量子通信领域保持着多年的竞争性友谊。

  目前,美国、欧洲、日本、加拿大、新加坡等国都计划发射量子通信卫星,竞争激烈。值得骄傲的是,中国将在世界上率先进行卫星与地面之间大尺度空间的量子通信试验。中科院空间科学先导专项的第三颗卫星——量子科学实验卫星,已进入酒泉卫星发射中心,将在8月中旬择机发射;同时,我国“天宫二号”也已进入酒泉卫星发射中心,将在9月中旬发射。

基于量子卫星实现中国至奥地利的量子通信

基于量子卫星实现中国至奥地利的量子通信

  如果实验成功,中国将建立第一个通过卫星来连接亚欧的洲际量子安全传输通道,并且,还将提供一个新的平台,中国科学家有机会在量子理论和相对论领域做出原创性的基础研究突破。

  同时,结合“京沪干线”等地面光纤量子通信城域网和城际网,再通过量子卫星实现数千公里、数万公里的长程或洲际量子通信组网,进而可实现天地一体化的全球量子通信网络。“量子通信实验卫星”实验成功之后,我国将会陆续发射多颗量子卫星,预计在2030年实现全球化广域的量子保密通信网络。

  此外,量子通信需要高精密的器件,一些核心设备还需要自主研发,所以,量子通信的产业化必将带动我国光电器件产业的发展与技术突破。招商证券分析师认为2016年量子通信整体产业规模将达到十亿量级,2020年预计会达到千亿。

  可以说,随着我国“京沪干线”量子保密通信工程和“量子科学实验卫星”工程的实施,中国将开启全球量子通信时代,2016年将成为全球量子通信时代的元年。