量子通信給經典通信增加了一把量子密碼鎖

日前，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室潘建偉院士、陸朝陽教授等完成的“多自由度量子隱形傳態”名列2015年度國際物理學領域的十項重大突破榜首。

而北京到上海的2000公里量子通信干線也在緊鑼密鼓的建設中。

其實，潘建偉院士、陸朝陽教授完成的“多自由度量子隱形傳態”和北京到上海的2000公里量子通信干線，雖然都被歸入量子通信范疇，但其實是兩種不同的技術。

量子通信在定義上存在爭議。目前，量子密鑰分配和量子隱形傳態都被稱為量子通信。

量子密鑰分配可以建立安全的通信密碼，通過一次一密的加密方式可以實現點對點方式的安全經典通信。

具體做法是用弱相干光源發射光子，因為弱相干光源弱到一定程度，光子是一個一個往外蹦的，以此代替單光子源。把一個信息編碼在一個光子上，一個光子有著不同的量子態，代表著0和1，把光子通過光纖發射過去，接收方接到密鑰后進行解碼。

本質上說，量子密鑰分配其實依舊依托于光纖通信，而單光子具有不可分割性是量子密碼安全性的物理基礎，因而量子密鑰分配并非顛覆經典通信，更像是給經典通信增加了一把量子密碼鎖。

現有的量子密鑰分發技術可以實現實驗室狀態下200公里以上的量子通信，再輔以光開關等技術，還可以實現量子密鑰分發網絡。目前，開始產業化的就是量子密鑰分配，而不是量子隱形傳態，比如之前提到的北京到上海的2000公里量子通信干線，以及滬杭量子通信干線，陸家嘴量子通信金融網等。

量子態隱形傳輸是基于量子糾纏態的分發與量子聯合測量（量子糾纏是指兩個量子態具有相干性或處于關聯狀態，量子糾纏態分發是指制備糾纏粒子對，將不同的粒子對發往不同的地方），在經典通信的輔助下實現量子態的空間轉移而又不移動量子態的物理載體。

今年2月，潘建偉院士、陸朝陽教授搭建了6光子的自旋-軌道角動量糾纏實驗平臺，實現了自旋和軌道角動量的同時傳輸，在量子隱形傳態方面取得重大突破。

雖然在量子隱形傳態技術上中國走在美國的前列，但現在僅僅是技術突破，離產業化還非常遙遠。

背景介紹：陸朝陽，英國劍橋大學博士，中國科學技術大學教授。在國際上首次實現六光子糾纏、八光子糾纏和十比特超糾纏，三次刷新了多光子糾纏和光學量子計算領域的兩項世界記錄，兩次入選了兩院院士評選和年度中國科技十大進展新聞。

目前，國內主攻量子通信技術的有潘建偉院士帶領的團隊和郭光燦院士帶領的團隊，兩個團隊在研究量子通信方面呈現你追我趕的架勢——潘建偉院士在實現實驗室狀態下200公里的量子密鑰分配；郭光燦院士實現了實驗室狀態下260公里的量子密鑰分配；在今年2月潘建偉院士、陸朝陽教授等完成的“多自由度量子隱形傳態”......

背景介紹：最年輕的院士、27歲時科研成果就入選“年度全球十大科技進展”、31歲毅然回國組建自己的實驗室、幫助中國在量子通信的前沿科技領域處于世界領先……近年來，在合肥工作的潘建偉是中國最耀眼的科技明星之一，也被認為是距離下一個科技諾貝爾獎最近的中國人之一。

量子密鑰分配如何保障安全性？

由于量子隱形傳態技術還非常遙遠，接下來只介紹已經產業化的量子密鑰分配。

因為光子具有不可分割性。在單光子發射的情況下，竊聽者不可能將光子切成兩半，拿走一半獲得密鑰，一半傳輸給接收方。

因為光子不可能被準確的復制，所以竊聽者無法通過復制光子獲取信息。

因為光子無法準確的測量，所以竊聽者無法通過準確測量光子，制備出一個一模一樣的光子。

總而言之，竊聽者無法將一個光子變成一模一樣的兩個光子，或者無法將光子信息讀取出來后將光子再發出去。一個未知的量子態是唯一的，接收者如果接收到了了準確的光子，那么竊聽者就拿不到任何信息。

但弱相干光源發射出去的是單光子與多光子脈沖的概率混合，在所發出的非真空脈沖中，有些是單光子的，有些是多光子，比如2光子、3光子......多光子脈沖即包含了多個全同偏振光子。

而多光子脈沖不再擁有不可分割性，在這種情況下，竊聽者可將其分離，自己留下一個，將剩余光子送到遠程合法用戶，更要命的是竊聽者的行為不會被合法用戶察覺。

為了應對光子數分離攻擊，可以用誘騙信號量子密碼方案應對。用弱光替代單光子，有可能存在多個光子概率，有可能存在1個光子的概率。誘騙態方法是指發射2或3種不同強度的全同偏振光子，經過信道衰減后，強度高的光子到達的概率高，強度低的光子達到的概率低，在正常狀態下，這個概率是成正比的。

如果竊聽者采取從多個全同偏振光子中拿走一個的方法獲取信息，那么光子的接收概率會和正常狀態下不一樣，這樣就可以監測出是否被竊聽。

量子密鑰分配的遠程通信

目前，采用誘騙態方法的量子密鑰分配最遠實驗距離是260—300km。

盡管隨著檢測技術的提高，該距離還會進一步提高，但由于成碼率隨著距離呈指數衰減，而單量子態信號又不能在中途放大，因而基于經典相干態光源的誘騙態方法很難直接完成遠程量子通信任務。

遠程量子通信的實現將依賴于中繼站。目前，中繼分為量子中繼和可信中繼兩種。

量子中繼以量子糾纏分發技術先在各相鄰站點間建立共享糾纏對，以量子存儲技術將糾纏對儲存，采用遠距離自由空間傳輸技術實現量子糾纏轉換。

背景介紹：郭光燦院士，國家科技部973項目“量子通信和量子信息技術”的首席科學家。郭光燦及中科院量子信息重點實驗室李傳鋒研究組，在固態系統中首次實現對三維量子糾纏態的量子存儲，保真度高達99.1%。

比如將量子糾纏對布置在各相鄰站點，糾纏轉換操作后便可實現次近鄰站點間的共享糾纏，理論上可以實現遠程量子通信，但量子中繼技術難度非常大，目前還做不到。

可信中繼類似與量子密鑰接力賽，是A把密鑰傳輸給B，B再把密鑰傳輸給C，中途密鑰要落地，B是知道密鑰的所有信息的，因此要求中繼必須可信，如果一個中繼站被竊聽者控制，那么就無法保障量子通信的安全性。

相比較而言，量子中繼在中途密鑰是不落地的，擁有更好的安全性，但目前的技術達不到這方面的技術要求，已經產業化的是可信中繼。

結語

雖然量子密鑰分配相對于量子隱形傳態的科幻程度和技術難度都要低不少，但其更具產業化前景，技術更成熟的優勢也是顯而易見的。

相信在“十三五”期間，國家會推動量子通信產業化進程，在推動量子通信技術發展的同時，更好的保障國家信息安全。

來源：雷鋒網