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量子通信"京滬干線"今年建成

日期:2016-03-21

  張江國家自主創新示范區的中國科學技術大學上海研究院,今年將注定成為全球矚目的科學地標——今年7月,我國將發射全球首顆“量子科學實驗衛星”,而科學實驗中心(上海)即設在該院:今年底,全球第一條遠距離量子保密通信干線“京滬干線”將建成并驗收,京滬兩地及沿線的金融、政務機構可利用這條線路,進行遠程數據災備和量子安全數據傳輸,從物理原理上確保不可能被第三方竊聽到有用信息。

  量子通信為何能從根本上解決通信安全問題?應用前景如何?記者日前走進中國科大上海研究院采訪了潘建偉院士、陸朝陽教授和上海國盾量子信息技術有限公司負責人。

  基本原理:量子不可克隆

  潘建偉說,講述量子通信的科學原理,還得從量子力學講起。這是一個與經典力學差異很大的物理學分支,是迄今為止描述微觀世界最準確的理論。

  一個物理量如果不能連續變化,只能取一些分立的值,這個量就是量子化的。好比上臺階,只能上一級臺階,而不能上半級。宏觀世界里的物理量似乎都能連續變化,但在微觀世界,許多物理量是量子化的,即存在一個最小的單位,不能再往下細分。

  量子力學描述世界的語言與經典力學有根本區別。經典力學描述一個物體的狀態,會給出它的明確位置;量子力學描述一個微觀粒子的狀態,給出的則是疊加態——這個粒子在某些情況下既可能在這里,也可能在那里,沒有確定位置。好比孫悟空的分身術,一個孫悟空同時出現在多個地方,孫悟空的各個分身就像是他的疊加態。在通信領域,經典通信的信號只有0和1,量子通信不但有信號0和1,還有0+1、0-1等量子疊加態。

  量子疊加原理導致了量子不可克隆原理:在量子力學中,不可能實現對一個未知量子態的精確復制,這是量子通信達到“無條件安全”的基本科學原理之一。

  任何竊聽都會擾動量子態

  任何經典通信都存在被竊聽的可能性。如打電話時,他人可通過竊聽器,從通信線路中的信號中分出一些,使其進入另一根線路。竊聽時,0和1這兩種信號不會被擾動,所以通話者無法察覺。

  《紐約時報》去年報道,美國國家安全局被曝監聽谷歌、雅虎用戶的通信,不需要侵入兩家公司的數據中心,只需截取光纜、電纜中傳輸的信息即可。這些跨國企業的數據中心分布在世界各地,用光纜和電纜相互連接,很多情況下傳輸信息并不加密,埋下了竊聽隱患。即便采用經典加密手段,也不能確保信息安全。

  與經典通信不同,量子通信可以將信息編碼,加載到單個光子的量子疊加態的偏振方向上。單光子是光能量的最小組成單元,不能被再分割,量子狀態無法被精確復制,任何竊聽行為都會對其造成擾動,從而被通信雙方察覺并規避。通過量子態傳輸,通信雙方協商生成量子密鑰,再加上對信息進行“一次一密”的加密保護,真正實現信息在傳輸中的完全隨機、不可破譯,從根本上解決通信安全問題。

  陸朝陽預測,未來數年內,量子通信將實現大規模應用。經典通信的硬件設施不會被取代,只需在原有設施上“錦上添花”——在通信發送端和接收端安裝單光子探測器、量子網關等量子加密設備,即可在電話、傳真、光纖網絡等原有通信網絡中實現量子通信,安全性大幅提升。

  抓住先機,上海加大布局

  如今,量子通信技術已基本成熟,潘建偉團隊在這一領域占據了國際引領地位,一個新興通信產業正在孕育、興起。

  今年7月,我國將發射“量子科學實驗衛星”。這顆由中國科大、中科院上海技術物理研究所、中科院上海微小衛星工程中心、中科院成都光電技術研究所等單位聯合研制的衛星,將在全球率先實現高速星地量子通信。作為“天地一體化”的地面設施,量子保密通信“京滬干線”計劃今年底建成并驗收。“京滬干線”總長2000余公里,從北京出發,經過濟南、合肥,到達上海。利用這一廣域光纖量子通信網絡,京滬兩地的金融、政務等機構能進行保密通信。

  面對這一新興高技術產業,上海市政府抓住了先機。去年1月,張江國家自主創新示范區專項發展資金重大項目啟動,建設量子保密通信上海總控及大數據服務中心、陸家嘴金融量子保密通信應用示范網。上海國盾量子信息技術有限公司負責人介紹,總控中心是“京滬干線”“量子科學實驗衛星”“陸家嘴金融網”等重大項目量子通信網絡的管理、監控、控制和展示中心,負責全網監察和運維指揮。大數據服務中心將布局量子通信金融數據戰略災備設施和“量子金融云”應用的試點,同時將試點建設“量子政務云”,用量子技術保護每一個比特。陸家嘴金融量子保密通信應用示范網建成后,將與“京滬干線”和“量子科學實驗衛星”互聯互通,為金融機構提供高安全等級的數據服務。

  今年,第二期項目有望啟動。上海國盾量子公司將與電信運營商謀劃戰略合作,聯合開展在金融、政務、電力、大數據、互聯網+等戰略行業和重大領域的用戶拓展和布局,推動量子通信產業化發展。

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