量子通信，中國領(lǐng)先

柳燧 石無魚

中國彎道超車

2019年年初，在世界最大的綜合性科學(xué)組織——美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)的年會(huì)上，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授領(lǐng)銜的“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)被授予克利夫蘭獎(jiǎng)。這是美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)設(shè)立該獎(jiǎng)項(xiàng)九十余年來，首次將該獎(jiǎng)項(xiàng)授予中國本土的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)。2017年6月16日，墨子號(hào)成功實(shí)現(xiàn)兩個(gè)量子糾纏光子被分發(fā)到相距超過1200千米的距離后，仍可繼續(xù)保持其量子糾纏狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)，為推動(dòng)大尺度量子通信實(shí)驗(yàn)研究做出了卓越貢獻(xiàn)。

美國《科學(xué)》雜志主編杰瑞·米伯格表示：“中國的量子通信研究是一項(xiàng)包含了從基礎(chǔ)物理學(xué)到衛(wèi)星技術(shù)等在內(nèi)的科技成果，近些年中國在科學(xué)領(lǐng)域所取得的進(jìn)展讓我感到非常震撼。”

量子通信事關(guān)國家的信息和國防安全，這個(gè)戰(zhàn)略性領(lǐng)域已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國家優(yōu)先發(fā)展的信息科技和產(chǎn)業(yè)高地。美國對(duì)量子通信的理論和實(shí)驗(yàn)研究開始較早，并最先將其列入國家戰(zhàn)略。歐盟和日本也都各自制定了量子信息技術(shù)長期發(fā)展路線圖。

雖然在全球量子通信競(jìng)賽中，中國起步并非最早，但是在科學(xué)家們的不懈努力下，目前中國在量子通信領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“彎道超車”，引領(lǐng)世界潮流。潘建偉團(tuán)隊(duì)在2007年首次實(shí)現(xiàn)安全通信距離超過100千米的光纖量子密鑰分發(fā)，2016年中國發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星——墨子號(hào);2017年，中國和奧地利科學(xué)家在北京和維也納兩地進(jìn)行了世界首次洲際量子保密通信，以此進(jìn)行了視頻通話。同年，世界首條量子保密通信干線——“京滬干線”正式開通……潘建偉表示，希望到2030年左右，能建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)，并在量子計(jì)算領(lǐng)域有所作為。

當(dāng)代的“密碼危機(jī)”

其實(shí)，“量子通信”這個(gè)詞起得不好，很容易讓人誤解。首先，這世界上還沒有量子通信，嚴(yán)格來說應(yīng)該是：“量子加密通信”，它解決的是通信加密問題;其次，在通信加密領(lǐng)域，量子通信是一個(gè)有益補(bǔ)充，而不是對(duì)原有加密方法的顛覆。

今天每個(gè)普通人都離不開密碼。當(dāng)你在網(wǎng)上購物，當(dāng)你用手機(jī)通話或收發(fā)微信，所有信息都在開放的網(wǎng)絡(luò)上傳輸，很容易被黑客截獲。據(jù)估計(jì)，每天全世界生產(chǎn)總值一半以上的金融交易都在網(wǎng)上進(jìn)行，如果失去可靠的密碼技術(shù)保護(hù)，必將引起世界級(jí)的金融災(zāi)難！

現(xiàn)代化的軍隊(duì)也比過去更依賴于密碼技術(shù)。如果遙測(cè)遙控的信息被盜，敵方可以隱藏保護(hù)自己，或者可以改變導(dǎo)彈的軌跡，甚至操縱無人機(jī)據(jù)為己有。事實(shí)上對(duì)今日的攻擊方而言，使用導(dǎo)彈和飛機(jī)已是多余，如果能破解對(duì)方的密碼系統(tǒng)，發(fā)個(gè)命令就可以秒殺對(duì)方城市的供電、公交和通訊系統(tǒng)，真正達(dá)到不戰(zhàn)而屈人之兵。

當(dāng)然，當(dāng)前的信息加密方法已經(jīng)非常成熟，安全性已經(jīng)可以達(dá)到我們所要求的任意強(qiáng)度，但始終有一柄達(dá)摩克利斯之劍懸在我們頭上，那就是安全依靠的是計(jì)算的復(fù)雜性，永遠(yuǎn)不能排除被破解的可能，這就是當(dāng)代的“密碼危機(jī)”。我們不妨來看一個(gè)例子，領(lǐng)略一下“密碼危機(jī)”是怎么回事。

目前世界上最常用的密碼系統(tǒng)叫RSA。此密碼系統(tǒng)基于這樣一個(gè)巧妙思想：有些事正向操作很容易，逆向操作卻非常難。例如13×17=221，這很容易吧，但把221分解成兩個(gè)質(zhì)因數(shù)的乘積13×17，就不那么容易了。合數(shù)的因數(shù)分解在數(shù)學(xué)上屬于易守難攻的問題。而要破解RSA密碼，就相當(dāng)于對(duì)一個(gè)給定的合數(shù)做因數(shù)分解。

如果你數(shù)學(xué)好，覺得分解221也不難，那不妨試試這個(gè)數(shù)

267-1=147，573，952，589，676，412，927。這是個(gè)18位數(shù)。很長時(shí)間里，人們以為它是一個(gè)質(zhì)數(shù)。直到1903年，人們才發(fā)現(xiàn)它是一個(gè)合數(shù)，等于193，707，721×761，838，257，287。

數(shù)學(xué)上分解一個(gè)數(shù)N，最容易想到的算法，是從2開始往上，一個(gè)一個(gè)地試驗(yàn)?zāi)芊裾齆，一直到N的平方根為止。如果N用二進(jìn)制表示是個(gè)n位數(shù)，即N約等于2n，那么嘗試的次數(shù)大約就是2。位數(shù)n出現(xiàn)在指數(shù)上，這是非常糟糕的，因?yàn)橹笖?shù)式增長是一種極快的增長。比如說，2比n10000增長還快。

當(dāng)然，你可以尋找效率更高的算法。對(duì)于因數(shù)分解，“從2開始一個(gè)一個(gè)試”并不是最聰明的算法，目前最好的算法叫做數(shù)域篩選。但即使做了這樣的改進(jìn)，計(jì)算量仍然是指數(shù)式增長。如果以目前世界上最快的計(jì)算機(jī)之一——我國“天河二號(hào)”的運(yùn)算速度，分解一個(gè)300位的數(shù)字需要15萬年，分解一個(gè)5000位的數(shù)字需要50億年！

按理說， RSA密碼系統(tǒng)已非常安全，但人無近憂也要有遠(yuǎn)慮：現(xiàn)在有實(shí)力的國家都在傾全力研究量子計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)的速度不是今日的電腦所能企及的。已經(jīng)有人提出一種因數(shù)分解的量子算法，一旦有了量子計(jì)算機(jī)，根據(jù)這種算法，原先需要50億年的運(yùn)算量，2分鐘內(nèi)就能完成。到那時(shí)，RSA密碼系統(tǒng)就形同虛設(shè)了。

有沒有一種不可破譯的保密方式，能讓傳送的信息絕對(duì)安全可靠？近些年來，量子通信技術(shù)的飛躍發(fā)展正讓夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)。

永遠(yuǎn)無法偷竊的密鑰

量子是物理世界里最小的、不可分割的基本單元，是能量的最基本攜帶者。比如，日常生活中的光，就由大量光量子組成，其他還有電子、介子等基本粒子。“量子化”指其物理量的數(shù)值是離散的，而不是連續(xù)地任意取值。例如，光子就不存在半個(gè)光子、三分之一個(gè)、0.18個(gè)光子這樣的說法（而且，空間和時(shí)間也都存在最小的、不可分割的基本單元，因此，空間和時(shí)間也都是量子化的）。

量子（加密）通信分為兩種：一種是量子密鑰分發(fā);另外一種是量子隱形傳態(tài)。它們的性質(zhì)是完全不同的：量子密鑰分發(fā)只是利用量子的不可復(fù)制性以及測(cè)量的隨機(jī)性來生成量子密碼，給傳統(tǒng)的數(shù)字通信加密;而量子隱形傳態(tài)完全不同，它是利用量子糾纏直接傳送量子比特。

在現(xiàn)代社會(huì)，廣泛使用的保障信息安全的手段是現(xiàn)代密碼，現(xiàn)代密碼技術(shù)的理念是，一切秘密包含于密鑰之中，密鑰就是只有通信雙方才知道的秘密鑰匙，是指某個(gè)用來完成加密、解密、完整性驗(yàn)證等密碼學(xué)應(yīng)用的秘密信息。因此，保障密鑰的安全是用密碼技術(shù)保障通信安全的關(guān)鍵。

量子密鑰分發(fā)可以實(shí)現(xiàn)無條件安全的密鑰分發(fā)，這個(gè)無條件安全的意思是指，就算竊聽者有全宇宙最強(qiáng)的計(jì)算機(jī)，哪怕是量子計(jì)算機(jī)，也不能破解量子密鑰分發(fā)，竊取密鑰。這樣，使用量子密鑰分發(fā)技術(shù)可以保證通信加密無法被破譯，保證對(duì)方身份真實(shí)可靠，保證信息無法被篡改。

那么，量子密鑰分發(fā)是如何生成量子密碼來給傳統(tǒng)的通信加密的？我們首先從偏振態(tài)光子說起。

現(xiàn)階段的量子通信都用偏振態(tài)光子作為信息的載體。偏振是光學(xué)上的一個(gè)概念，意指光作為橫波，一方面往前傳播，另一方面在垂直于傳播的方向上做振動(dòng)。

我們可以打個(gè)比方。比如，你把一根繩子固定在墻上的鉤子上。當(dāng)繩子繃緊之后，你在另一端上下擺動(dòng)它時(shí)，波動(dòng)就會(huì)沿著繩子傳到鉤子的那一端。你擺動(dòng)的方向跟波的傳播方向是垂直的。當(dāng)然，你也可以橫向左右擺動(dòng)，波照樣沿著繩子傳播，你擺動(dòng)的方向也還是跟波的傳播方向垂直。你還可以以任意角度斜著擺動(dòng)，你擺動(dòng)的方向還是跟波的傳播方向垂直……每一種擺動(dòng)方式，對(duì)應(yīng)著繩子的一種偏振狀態(tài)。

量子通信，顧名思義就是利用量子的特性來傳送信息。那么，其中涉及哪些量子特性呢？

1、不確定性原理：根據(jù)量子力學(xué)，微觀世界中的量子可以同時(shí)處于各種可能性的狀態(tài)。這種量子態(tài)叫疊加態(tài)。而測(cè)量會(huì)迫使疊加態(tài)坍縮，量子選擇其中一種可能狀態(tài)呈現(xiàn)。坍縮意味著原來量子態(tài)的破壞，而且是不可逆的。所以當(dāng)信息以量子為載體時(shí)，對(duì)量子態(tài)的每一次測(cè)量，都將改變它原來的狀態(tài)。

2、量子不可克隆原理：指對(duì)任意一個(gè)未知的量子態(tài)進(jìn)行完全相同的復(fù)制（克隆）是不可實(shí)現(xiàn)的。這條原理實(shí)際上是不確定性原理的一個(gè)推論。因?yàn)橐獜?fù)制，首先就要測(cè)量（比如，你要復(fù)制一張桌子，得先測(cè)量它的長寬高），而測(cè)量后你不能保證量子態(tài)還保持原樣。

利用量子的這兩個(gè)特性，量子通信也就保證了安全。具體過程是這樣的：假設(shè)A發(fā)給B一個(gè)偏振態(tài)光子，對(duì)于A是已知的，對(duì)于B是未知的。C（竊聽者）想來看看A發(fā)的是什么偏振態(tài)，最直接的辦法就是先把這個(gè)光子截下來測(cè)量一下，但這又是行不通的，因?yàn)镃截取測(cè)量了之后，A所發(fā)送的偏振態(tài)光子，其原始態(tài)就變化了，再也無法完美復(fù)制還原了。

B收到被竊聽的態(tài)，用了一個(gè)約定的測(cè)量方式（測(cè)量基）來測(cè)量，測(cè)完之后會(huì)有一個(gè)結(jié)果，然后再問A發(fā)的是什么，A告訴B，B一看，與自己測(cè)量的結(jié)果不一致，那就是有人竊聽了，我們分享的密鑰不安全了。于是，A和B終止發(fā)送信息，信息安全得到了保證。

在經(jīng)典的通信中，一個(gè)竊聽者可以截取本來應(yīng)該發(fā)給B 的信息，然后偽造完全相同的信息再發(fā)給B，這樣A和B就無法發(fā)覺有人在監(jiān)聽。而在量子通信中，粒子的量子狀態(tài)的不可克隆性，保證了量子通信密碼的不可破解性。

當(dāng)然，這種密鑰分發(fā)方式存在一個(gè)問題，那就是只能發(fā)現(xiàn)竊聽者，不能保證通信的穩(wěn)定性。A和B雖然可以隨時(shí)察覺被竊聽，但是他們所能做的，也只能就是停止通信。如果竊聽者不停地竊聽，通信就被無限期擱置了。所以，業(yè)內(nèi)對(duì)量子通信的爭(zhēng)議，很大一部分就在于此：“如果通信消失了，那么任何密碼技術(shù)都是多余的。”

但是，對(duì)于非常重要的絕密信息來說，通信的保密性要大于消息的穩(wěn)定性。而且，在量子通信里，根據(jù)計(jì)算很容易找到竊聽點(diǎn)，然后派人去抓出竊聽者。通信密鑰分發(fā)的方式就是擁有隨時(shí)發(fā)現(xiàn)竊聽者的能力，給竊聽者以震懾，以此保衛(wèi)自己的通信安全。

幽靈般的超距作用

現(xiàn)在，我們來說說量子通信的另外一種方式——“量子隱形傳態(tài)”。

如果說，量子密鑰分發(fā)只是量子力學(xué)應(yīng)用于經(jīng)典通信的一個(gè)小應(yīng)用（加了把量子鎖），那量子隱形傳態(tài)就是“真正”的量子通信了。

解釋量子隱形傳態(tài)之前，我們必須先解釋兩個(gè)重要概念——“量子比特”和“量子糾纏”。

我們目前進(jìn)行信息存儲(chǔ)和通信，使用的是經(jīng)典比特。一個(gè)經(jīng)典比特在特定時(shí)刻只有特定的狀態(tài)，要么0，要么1，所有的計(jì)算都按照經(jīng)典的物理學(xué)規(guī)律進(jìn)行。但量子比特和經(jīng)典比特不同，量子信息扎根于量子物理學(xué)，一個(gè)量子比特就是0和1的疊加態(tài)。我們可以做一個(gè)比喻：經(jīng)典比特是“開關(guān)”，只有開和關(guān)兩個(gè)狀態(tài)（0和1），而量子比特是“旋鈕”，就像收音機(jī)上調(diào)頻的旋鈕那樣，有無窮多個(gè)狀態(tài)。

量子糾纏也是量子疊加態(tài)的一種表現(xiàn)，是指兩個(gè)處在糾纏態(tài)的量子一旦分開，不論分開多遠(yuǎn)，當(dāng)其中一個(gè)狀態(tài)改變時(shí)，另一個(gè)狀態(tài)也會(huì)即刻發(fā)生相應(yīng)改變。這兩個(gè)糾纏在一起的量子就好比是一對(duì)有心電感應(yīng)的雙胞胎，愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”。

理解了量子糾纏，我們就可以理解“量子隱形傳態(tài)”了（量子糾纏和量子隱形傳態(tài)的分析詳見下文）。

量子隱形傳態(tài)是在什么時(shí)候?qū)崿F(xiàn)的？答案是1997年，當(dāng)時(shí)潘建偉在奧地利因斯布魯克大學(xué)的塞林格教授組里讀博士，他們首次實(shí)現(xiàn)了單光子自旋態(tài)的傳輸，并基于這個(gè)實(shí)驗(yàn)在《自然》上發(fā)表了論文《實(shí)驗(yàn)量子隱形傳態(tài)》，潘建偉是第二作者。這篇文章后來入選了《自然》雜志的“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”，跟它并列的包括倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛因斯坦建立相對(duì)論、沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)等。當(dāng)然，量子隱形傳態(tài)的重要性不如那些神級(jí)成果，不過也已經(jīng)相當(dāng)了不起了。

潘建偉回到中國后，將量子通信的水平不斷提高，此后中國的量子通信的研究一直領(lǐng)先于世界。

潘建偉的研究能不能得諾貝爾獎(jiǎng)？潘建偉主要搞的是技術(shù)，而諾貝爾獎(jiǎng)更偏愛的是理論或?qū)嶒?yàn)上的重大進(jìn)展。互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)明非常偉大，也很大的改變了我們的世界，也沒有獲得諾貝爾獎(jiǎng)。不過，依靠純技術(shù)方面的應(yīng)用獲得諾貝爾獎(jiǎng)的先例也是有的，比如馬可尼就是依靠無線電報(bào)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這樣的情況相對(duì)比較少。因此，如果量子通信有了更加廣泛的應(yīng)用，潘建偉有很大可能獲得諾貝爾獎(jiǎng)，我們對(duì)此充滿期待。