導(dǎo)讀：?當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)攻擊快速增長(zhǎng)，威脅并阻礙了各行業(yè)向數(shù)字世界的轉(zhuǎn)型步伐。而量子通信技術(shù)作為近二十年發(fā)展起來的新型交叉學(xué)科，逐步從理論走向?qū)嶒?yàn)，并向?qū)嵱没l(fā)展。而其自帶的諸多安全屬性，正成為捍衛(wèi)我國(guó)高級(jí)別安全通信的重要手段。

目前使用最廣泛的公鑰密碼體制是RSA 體制，其安全性是基于＂大數(shù)因子分解＂的計(jì)算復(fù)雜性。理論上，如果要對(duì)一個(gè)300 位的阿拉伯?dāng)?shù)字進(jìn)行因子分解，使用萬億次的經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要耗時(shí)約 150000 年。而在未來隨著量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)理論采用 Shor 量子算法，使用萬化次的量子計(jì)算機(jī)耗時(shí)僅１秒，這也將導(dǎo)致RSA 公鑰密碼體制在量子計(jì)算機(jī)的超快計(jì)算能為下不堪一擊。

1、傳統(tǒng)加密均可破 安全面臨兩大瓶頸

當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)攻擊快速增長(zhǎng)，威脅并阻礙了各行業(yè)向數(shù)字世界的轉(zhuǎn)型步伐。而量子通信技術(shù)作為近二十年發(fā)展起來的新型交叉學(xué)科，逐步從理論走向?qū)嶒?yàn)，并向?qū)嵱没l(fā)展。而其自帶的諸多安全屬性，正成為捍衛(wèi)我國(guó)高級(jí)別安全通信的重要手段。

（圖片：來源于網(wǎng)絡(luò)）

傳統(tǒng)加密均可被破解

信息技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展正面臨著兩大嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。首先，就是信息安全瓶頸的問題。由于所有依賴計(jì)算復(fù)雜度的傳統(tǒng)加密算法，原則上都可能被破解，已變成通信技術(shù)方面的一大瓶頸。

（圖片：來源于網(wǎng)絡(luò)）

傳統(tǒng)加密算法原則上都可能被破解

目前廣泛使用的RSA 512位加密算法已在1999年被破解，RSA 768位于2009年被破解，RSA 1024位呢？也就是說隨著計(jì)算能力的發(fā)展，原來安全的加密算法都可能變得不安全。

無法完成2的80次／年搜索

其次，是現(xiàn)階段的計(jì)算能力非常有限。因?yàn)榛谀柖傻膫鹘y(tǒng)計(jì)算能力發(fā)展模式正表現(xiàn)出受到嚴(yán)重制約性。甚至有科學(xué)家舉例道，即使將全世界所有的計(jì)算能力包括人們的手機(jī)全部加起來，全球計(jì)算能力的總和目前還沒有辦法在一年里完成2的80次方或者90次方的數(shù)據(jù)窮舉搜索。

（圖片：來源于網(wǎng)絡(luò)）

迄今為止，經(jīng)典加密技術(shù)大多是基于特定數(shù)學(xué)問題的計(jì)算復(fù)雜性，在理論上都不能保證絕對(duì)安全?，F(xiàn)階段的計(jì)算能力非常有限，而上述瓶頸問題，顯然已為當(dāng)下的通信安全帶來了不可估量的威脅。

2、量子通信特性與發(fā)展

量子：是非常小的顆粒，是構(gòu)成物質(zhì)最基本的單位，也是能量最基本的攜帶者，具有一種不可分割性。而量子不可克隆定理，則導(dǎo)致量子沒辦法被精確復(fù)制，正是這個(gè)原因，也令其無法通過測(cè)量將量子復(fù)制出來，這就構(gòu)成量子加密技術(shù)安全性的一個(gè)前提。而基于＂量子不可分割＂和＂量子不可克隆定理＂的量子力學(xué)基本原理，量子密碼技術(shù)為我們提供了一種全新的密碼解決方案。

圖：經(jīng)典通道與量子通道（來源于網(wǎng)絡(luò)）

1984年，IBM 公司的 Bennett 和蒙特利爾大學(xué)的 Brassard 提出了第一個(gè)量子密鑰分發(fā)（Quantum Key Distribution, QKD）方案，也就是BB84 協(xié)議。BB84 協(xié)議是迄今為止應(yīng)用最廣泛的 QKD 協(xié)議，它解決了密鑰的安全分發(fā)問題，通過將信息編碼在單個(gè)光子的偏振態(tài)（相位態(tài)）上，避免了信息被竊聽的可能性。結(jié)合 1918 年 Vemam 發(fā)明的一次一密（ One Time Pad, OTP）算法，可以保證加密內(nèi)容的不可破譯性，從理論上實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的保密通信。而在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，一種信息編碼、信號(hào)傳輸巧探測(cè)等過程基于量子態(tài)的通信方式也彼稱為量子通信。

圖：量子密鑰分發(fā) （來源于網(wǎng)絡(luò)）

量子通信是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通訊方式，是迄今為止唯一被嚴(yán)格數(shù)學(xué)證明的絕對(duì)安全，其核也就是通過量子密鑰分發(fā)，實(shí)現(xiàn)相距遙遠(yuǎn)的通信雙方共享絕對(duì)安全的魚子密鑰。所以，量子密鑰分發(fā)的發(fā)展史幾乎也就是里子通信的發(fā)展史。魚子密鑰分發(fā)需要將信息編碼在單個(gè)光子的量子態(tài)上，但是在實(shí)際的 QKD 實(shí)驗(yàn)中，由于理想的單光子源技術(shù)尚不成熟，通常使用弱相干光源作為替代，這也導(dǎo)致呈子密鑰分發(fā)存在受到光子數(shù)分離（Photon Number Splitting, PNS）攻擊的可能性。針對(duì)該問題，美國(guó)西北大學(xué)的 Hwang于2003 年提出了后來被廣泛使用的誘騙態(tài)思想。隨后在 2005 年，清華大學(xué)的王向斌教授和多倫多大學(xué)的 Lo 等人分別獨(dú)立提出了可實(shí)用化的誘騙態(tài)方案，大大提升了基于弱相干光源的量子密鑰分發(fā)的理論安全傳輸距離。隨著BB84協(xié)議和誘騙態(tài)理論的提出，量子通信得到了飛速發(fā)展并逐步邁入實(shí)用化的階段。其基于量子力學(xué)基本原理的絕對(duì)安全性，使得科學(xué)家們一直致力于全球化量子保密網(wǎng)絡(luò)的研究。

光纖量子遠(yuǎn)信的進(jìn)展

在己經(jīng)較為成熟的經(jīng)典光纖通信技術(shù)的支持下，基于光纖的量子通信發(fā)展尤為巧猛。

1993年，日內(nèi)瓦大學(xué) Gisin 小組的Muller 等人首次完成了基于偏振編碼的光纖量子密鑰分發(fā)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)化，傳輸距離ｌkｍ，隨后在1995 年將這個(gè)距離提髙到了23 km。2004 年，劍橋大學(xué)的Gobby 等人將光纖量子密鑰分發(fā)的傳輸距離刷新到122 km。然而截止到 2005 年，由于未考慮針對(duì)弱相干光源的 PNS 攻擊問題，早期的這些實(shí)驗(yàn)都存在著安全漏洞。誘騙態(tài)理論提出后，在2007 年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉小組的彭承志等人和美國(guó) Los Alamos 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Hughes 小組的 Rosenberg 等人分別完成了超過100 km 光纖傳輸距離的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。2010 年，潘建偉小組的劉洋等人實(shí)現(xiàn)了200 km 的光纖量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。2015年，Gisin 小組的 Korzh等人將傳輸距離刷新到 307 km，這是目前光纖信道的最大傳輸距離。

圖：量子保密通信京滬干線 （來源于網(wǎng)絡(luò)）

在另外一方面，隨著光纖量子通信技術(shù)的成巧，實(shí)用化的光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)也逐漸發(fā)展起來，包括美國(guó)的 DARPA量子通信網(wǎng)絡(luò)、歐洲的 SECOQC 量子通信網(wǎng)絡(luò)、瑞士的 SwissQuantum 量子通信網(wǎng)絡(luò)和東京的 Tokyo量子通信網(wǎng)絡(luò)等等。而中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉小組也分別在北京、濟(jì)南和合肥建立了實(shí)用的城域量子通信實(shí)驗(yàn)網(wǎng)，結(jié)合目前正在建設(shè)中的量子通信＂京滬干線＂，將在未來連接北京、濟(jì)南、合肥和上海，實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)商可信、可擴(kuò)展的廣域光纖童子通信。

自由空間量子通信的進(jìn)展

在光纖信道中光子的傳輸存在著固有損耗，在1550 nm 波段這個(gè)損耗的典型值為0.2 dB/km，同時(shí)由于光纖的雙折射效應(yīng)，長(zhǎng)距離傳輸后光子的相干性變得很差，因此光纖量子通信的通信距寓也逐漸到達(dá)了瓶頸。相對(duì)于光纖信道，光子在自由空間傳輸過程中的衰減更小，而且大氣中幾乎不存在雙折射效應(yīng)，這也使得基于自由空間的量子通信近些年發(fā)展迅速。

1989 年，Bennett 等人首次在桌面平臺(tái)上完成了量子巧鑰分發(fā)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通信距離為32 cm。

1998 年，Hughes 小組完成了傳輸距離1 kｍ的自由空間量子巧鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，并在2002年實(shí)現(xiàn)了 10 km的白天自由空間量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn).

2003 年，維也納大學(xué) Zeilinger 小組的 Aspelmeyer 等人首次完成了 600 m 自由空間的單向糾纏光子傳輸。

2005 年，潘建偉小組在合肥實(shí)現(xiàn)了13 km 的雙向糾纏光子分發(fā)，在國(guó)際上首次驗(yàn)證了糾纏光子穿越等效大氣厚度的可行性。

2006 年，Weinfurter小組的 Weier 等人完成了對(duì)基于糾纏的量子密鑰分發(fā)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2007 年，以 Zeilinger 為首的歐洲聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了144 km 的自由空間糾纏光子單向傳輸實(shí)驗(yàn)和誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，這是迄今為止自由空間信道的景大傳輸距離。隨后在2009年，該團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了經(jīng)歷144 km 大氣損耗自由空間信道的糾纏商保真?zhèn)鬏敗?/p>

2012 年，潘建偉小組在靑海湖實(shí)現(xiàn)了 101 km 的自由空間量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)。

圖：青海湖湖心島的百公里級(jí)量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn) （來源于網(wǎng)絡(luò)）

2013 年，Weinfurter小組完成了基于飛機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的20 km 自由空間量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。同年，潘建偉小組在青海湖完成了關(guān)于星地量子密鑰分發(fā)的全方位論證實(shí)驗(yàn)，為星地量子通信和全球化魚子保密網(wǎng)絡(luò)鋪平了道路。

2018 年1月，潘建偉教授及其同事彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、國(guó)家天文臺(tái)等，與奧地利科學(xué)院Anton Zeilinger研究組合作，利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在中國(guó)和奧地利之間首次實(shí)現(xiàn)距離達(dá)7600公里的洲際量子密鑰分發(fā)，并利用共享密鑰實(shí)現(xiàn)加密數(shù)據(jù)傳輸和視頻通信。該成果標(biāo)志著“墨子號(hào)”已具備實(shí)現(xiàn)洲際量子保密通信的能力，為未來構(gòu)建全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖：洲際量子保密通信網(wǎng)絡(luò)示意圖 （來源于網(wǎng)絡(luò)）

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)潘建偉曾表示，“希望通過10－15年努力，經(jīng)過嚴(yán)密論證，能夠與經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無線連接的通信一體的保密通信網(wǎng)絡(luò)體系，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全、通信安全，數(shù)據(jù)認(rèn)證和身份認(rèn)證的安全。同時(shí)這樣的網(wǎng)絡(luò)本身，可以用來構(gòu)造一個(gè)新的高精度的全球化的頻率標(biāo)準(zhǔn)傳遞?！?/p>

量子力學(xué)催生出新的信息技術(shù)，在近百年發(fā)展過程中，為了解決重大問題已經(jīng)做好了準(zhǔn)備。現(xiàn)在量子通信更提供了一種安全的通信方式?？梢哉f，量子計(jì)算是和平年代的核武器，由于我國(guó)重視較早，雖然各國(guó)均處于并跑階段，只要中國(guó)持續(xù)發(fā)力，發(fā)展前景還是可期的。