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量子通信“京沪干线”今年建成

量子通信“京沪干线”今年建成

量子保密通信“京沪干线”总长2000余公里,从北京出发,经过济南、合肥,到达上海。吴名遂 制图

  张江国家自主创新示范区的中国科学技术大学上海研究院,今年将注定成为全球瞩目的科学地标——今年7月,我国将发射全球首颗“量子科学实验卫星”,而科学实验中心(上海)即设在该院:今年底,全球第一条远距离量子保密通信干线“京沪干线”将建成并验收,京沪两地及沿线的金融、政务机构可利用这条线路,进行远程数据灾备和量子安全数据传输,从物理原理上确保不可能被第三方窃听到有用信息。

  量子通信为何能从根本上解决通信安全问题?应用前景如何?记者日前走进中国科大上海研究院采访了潘建伟院士、陆朝阳教授和上海国盾量子信息技术有限公司负责人。

  基本原理:量子不可克隆

  潘建伟说,讲述量子通信的科学原理,还得从量子力学讲幸运28起。这是一个与经典力学差异很大的物理学分支,是迄今为止描述微观世界最准确的理论。

  一个物理量如果不能连续变化,只能取一些分立的值,这个量就是量子化的。好比上台阶,只能上一级台阶,而不能上半级。宏观世界里的物理量似乎都能连续变化,但在微观世界,许多物理量是量子化的,即存在一个最小的单位,不能再往下细分。

  量子力学描述世界的语言与经典力学有根本区别。经典力学描述一个物体的状态,会给出它的明确位置;量子力学描述一个微观粒子的状态,给出的则是叠加态——这个粒子在某些情况下既可能在这里,也可能在那里,没有确定位置。好比孙悟空的分身术,一个孙悟空同时出现在多个地方,孙悟空的各个分身就像是他的叠加态。在通信领域,经典通信的信号只有0和1,量子通信不但有信号0和1,还有0+1、0-1等量子叠加态。

  量子叠加原理导致了量子不可克隆原理:在量子力学中,不可能实现对一个未知量子态的精确复制,这是量子通信达到“无条件安全”的基本科学原理之一。

  任何窃听都会扰动量子态

  任何经典通信都存在被窃听的可能性。如打电话时,他人可通过窃听器,从通信线路中的信号中分出一些,使其进入另一根线路。窃听时,0和1这两种信号不会被扰动,所以通话者无法察觉。

  《纽约时报》去年报道,美国国家安全局被曝监听谷歌、雅虎用户的通信,不需要侵入两家公司的数据中心,只需截取光缆、电缆中传输的信息即可。这些跨国企业的数据中心分布在世界各地,用光缆和电缆相互连接,很多情况下传输信息并不加密,埋下了窃听隐患。即便采用经典加密手段,也不能确保信息安全。

  与经典通信不同,量子通信可以将信息编码,加载到单个光子的量子叠加态的偏振方向上。单光子是光能量的最小组成单元,不能被再分割,量子状态无法被精确复制,任何窃听行为都会对其造成扰动,从而被通信双方察觉并规避。通过量子态传输,通信双方协商生成量幸运28子密钥,再加上对信息进行“一次一密”的加密保护,真正实现信息在传输中的完全随机、不可破译,从根本上解决通信安全问题。

  陆朝阳预测,未来数年内,量子通信将实现大规模应用。经典通信的硬件设施不会被取代,只需在原有设施上“锦上添花”——在通信发送端和接收端安装单光子探测器、量子网关等量子加密设备,即可在电话、传真、光纤网络等原有通信网络中实现量子通信,安全性大幅提升。

  抓住先机,上海加大布局

  如今,量子通信技术已基本成熟,潘建伟团队在这一领域占据了国际引领地位,一个新兴通信产业正在孕育、兴起。

  今年7月,我国将发射“量子科学实验卫星”。这颗由中国科大、中科院上海技术物理研究所、中科院上海微小卫星工程中心、中科院成都光电技术研究所等单位联合研制的卫星,将在全球率先实现高速星地量子通信。作为“天地一体化”的地面设施,量子保密通信“京沪干线”计划今年底建成并验收。“京沪干线”总长2000余公里,从北京出发,经过济南、合肥,到达上海。利用这一广域光纤量子通信网络,京沪两地的金融、政务等机构能进行保密通信。

  面对这一新兴高技术产业,上海市政府抓住了先机。去年1月,张江国家自主创新示范区专项发展资金重大项目启动,建设量子保密通信上海总控及大数据服务中心、陆家嘴金融量子保密通信应用示范网。上海国盾量子信息技术有限公司负责人介绍,总控中心是“京沪干线”“量子科学实验卫星”“陆家嘴金融网”等重大项目量子通信网络的管理、监控、控制和展示中心,负责全网监察和运维指挥。大数据服务中心将布局量子通信金融数据战略灾备设施和“量子金融云”应用的试点,同时将试点建设“量子政务云”,用量子技术保护每一个比特。陆家嘴金融量子保密通信应用示范网建成后,将与“京沪干线”和“量子科学实验卫星”互联互通,为金融机构提供高安全等级的数据服务。

  今年,第二期项目有望启动。上海国盾量子公司将幸运28与电信运营商谋划战略合作,联合开展在金融、政务、电力、大数据、互联网+等战略行业和重大领域的用户拓展和布局,推动量子通信产业化发展。

  (原载于《解放日报》 2016-03-10 10版)