發(fā)展量子通信為何要上天?
◎?qū)嵙?xí)記者 李詔宇
“夫事以密成,語(yǔ)以泄敗。”從古時(shí)候賢君名臣的權(quán)爭(zhēng)往事,到近現(xiàn)代大國(guó)之間的縱橫捭闔,在信息傳遞過程中,泄密一直是人們廣泛關(guān)注的一個(gè)問題。
如果一種通信方式能夠?qū)崿F(xiàn)快速、穩(wěn)定、無(wú)損耗,那么龐培不會(huì)敗走法薩盧斯,馬謖也不會(huì)失街亭,歷史上無(wú)數(shù)由信息傳遞失誤導(dǎo)致的事件都將得以避免。
古人不幸今人幸。可能成功解決問題的手段,既非鴻雁傳書,也非魚傳尺素,而是一個(gè)看似神秘的概念——量子通信。
6月25日至27日,世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)數(shù)字文明尼山對(duì)話在山東舉辦。成果展上,于2022年發(fā)射升空的“濟(jì)南一號(hào)”量子微納衛(wèi)星吸引了眾多目光。隨著量子通信在應(yīng)用領(lǐng)域越走越遠(yuǎn),我們不禁開始構(gòu)想:量子通信將帶領(lǐng)人類走向怎樣的未來?量子衛(wèi)星在其中扮演著怎樣的角色?
量子通信竊聽難
作為量子通信的基礎(chǔ)概念之一,量子在近年來的各種科幻作品中出鏡率很高,但想要精確地定義它并不容易。
中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院教授級(jí)高級(jí)工程師廖勝凱介紹,量子是現(xiàn)代物理的重要概念,即一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位,則這個(gè)物理量是量子化的,最小單位被稱為量子。
“量子的概念由德國(guó)物理學(xué)家普朗克提出,最早被用于解釋黑體輻射這種能量現(xiàn)象?!绷蝿賱P表示,“后續(xù)的實(shí)驗(yàn)表明,諸如角動(dòng)量、電荷、能量等其他的物理量也具有不連續(xù)變化的量子化現(xiàn)象,超出牛頓經(jīng)典力學(xué)理論框架的量子力學(xué)也就隨之產(chǎn)生?!?/p>
廖勝凱介紹,相比于牛頓經(jīng)典力學(xué),量子力學(xué)具有如下特征:不確定性、測(cè)量坍縮性和不可克隆性。這三大特征也成了量子通信能夠?qū)崿F(xiàn)的理論基礎(chǔ)。
量子通信的研究?jī)?nèi)容之一就是量子密鑰分發(fā)?!盎谟?jì)算復(fù)雜性的傳統(tǒng)加密技術(shù),在原理上存在著被破譯的可能性,其破譯的困難程度只取決于計(jì)算力的強(qiáng)大與否。隨著數(shù)學(xué)和計(jì)算能力的不斷提升,經(jīng)典密碼被破譯的可能性與日俱增?!绷蝿賱P說,“而與經(jīng)典通信不同,量子密鑰分發(fā)的安全性基于物理學(xué)基本原理,與計(jì)算復(fù)雜度無(wú)關(guān)。通過量子態(tài)的傳輸,在遙遠(yuǎn)兩地的用戶共享安全的密鑰,利用該密鑰對(duì)信息進(jìn)行一次一密的嚴(yán)格加密,這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的原理上無(wú)條件安全的通信方式?!?/p>
量子通信的另一重要內(nèi)容是量子隱形傳態(tài)。量子隱形傳態(tài)利用量子糾纏,可以將粒子的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點(diǎn),而不用傳送粒子本身。量子隱形傳態(tài)是構(gòu)建分布式量子信息處理網(wǎng)絡(luò)和量子計(jì)算機(jī)的基本要素。
采用衛(wèi)星傳信息
“工欲善其事,必先利其器?!睙o(wú)線電通信等傳統(tǒng)通信方式要求基站等有關(guān)設(shè)備的支持。量子通信作為一種先進(jìn)的通信手段,自然也離不開諸多先進(jìn)的設(shè)備。既然量子通信通常采用單光子作為信息傳遞的物理載體,人們不禁想到,直接連接一條光纖是否足以滿足遠(yuǎn)距離量子通信的需要呢?
答案顯然是否定的。損耗問題成了光纖法不可行的癥結(jié)所在?!傲孔泳哂胁豢煽寺≡?,因此單光子量子信息不能像經(jīng)典通信那樣被放大。一旦傳輸距離較遠(yuǎn),損耗問題就會(huì)變得極其嚴(yán)重?!绷蝿賱P指出,“根據(jù)數(shù)據(jù)測(cè)算,通過1200公里的光纖,即使有每秒百億發(fā)射率的單光子源和完美的探測(cè)器,也需要數(shù)百萬(wàn)年才能傳輸一個(gè)比特的密鑰,這顯然是完全不現(xiàn)實(shí)的。”
1200公里的光纖或許尚可制造,但每秒百億發(fā)射率的單光子源以及完美的探測(cè)器都不是目前技術(shù)等現(xiàn)實(shí)條件所能企及的,更何況人們也不可能等待數(shù)百萬(wàn)年來傳輸信息。科學(xué)家們被迫尋找其他解決問題的方向。
既然地面走不通,上天就成了一個(gè)可能的選擇?!袄猛馓諑缀跽婵?、光信號(hào)損耗非常小的特點(diǎn),通過衛(wèi)星的輔助可以大大擴(kuò)展量子通信的距離。” 廖勝凱表示,“此外,由于衛(wèi)星具有方便覆蓋整個(gè)地球的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),使用衛(wèi)星進(jìn)行量子通信是全球尺度上實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離實(shí)用化量子通信最有希望的途徑之一?!?/p>
廖勝凱介紹,按照軌道的高度劃分,量子衛(wèi)星可以分為低軌衛(wèi)星(2000公里以下)、中軌衛(wèi)星(2000—20000公里)和高軌衛(wèi)星(20000公里以上)三種?!斑@些衛(wèi)星上搭載了一些量子通信的器件,可以完成量子通信的某些任務(wù),因此被稱為量子衛(wèi)星。” 廖勝凱說。
量子衛(wèi)星同樣可以按照重量劃分,分為小衛(wèi)星(100—500kg)、微衛(wèi)星(10—100kg)、納衛(wèi)星(1—10kg)、皮衛(wèi)星(0.1—1kg)、飛衛(wèi)星(10—100g)?!耙话銇碚f,衛(wèi)星越小,發(fā)射成本越低,性價(jià)比也就越高?!绷蝿賱P說。
廖勝凱指出,量子衛(wèi)星的一個(gè)重要作用是作為中繼擴(kuò)展量子通信的距離,從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高難度的通信。“用于量子通信的地面基站(即可信中繼)一般需要數(shù)十公里就布設(shè)一個(gè),成本高且維護(hù)不易。如果采用衛(wèi)星傳遞信息,一切問題都將迎刃而解?!绷蝿賱P說。
美好未來可期待
盡管量子衛(wèi)星功能十分強(qiáng)大,但要想真正起到對(duì)廣域量子通信的支撐性作用,僅僅依靠一顆量子衛(wèi)星顯然是不夠的。需要更多的量子衛(wèi)星團(tuán)結(jié)協(xié)作,形成衛(wèi)星組網(wǎng)。
廖勝凱介紹,通常來說,實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星組網(wǎng)有兩類解決方案。一類是依靠大量的低軌衛(wèi)星構(gòu)成實(shí)時(shí)覆蓋的網(wǎng)絡(luò)。銥星計(jì)劃、星鏈計(jì)劃等均屬于此類。“低軌衛(wèi)星經(jīng)過地面站的通信時(shí)間往往僅有數(shù)分鐘,因此需要數(shù)百乃至數(shù)萬(wàn)顆衛(wèi)星?!绷蝿賱P說。
另一類則主要靠中高軌衛(wèi)星,如相對(duì)地面靜止的地球同步軌道衛(wèi)星。“地球同步軌道大約為36000千米高,也就是目前廣播電視衛(wèi)星、常規(guī)通信衛(wèi)星所處的軌道。”廖勝凱表示,“一般來說,三顆地球同步軌道衛(wèi)星即可完成全球范圍覆蓋。”
廖勝凱介紹,通常來說,低軌衛(wèi)星軌道低、信號(hào)強(qiáng)、傳輸速率高,但是過境時(shí)間短,傳輸?shù)男畔⒘可?;高軌衛(wèi)星軌道高、信號(hào)弱、傳輸速率低,但是傳輸時(shí)間長(zhǎng),幾乎可以全天時(shí)工作,傳輸?shù)男畔⒘看?;中軌道衛(wèi)星則處在高軌衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星之間,兼有兩者的特點(diǎn)。
“具體采用哪種形式的衛(wèi)星,應(yīng)根據(jù)需要選擇。在一個(gè)采用衛(wèi)星建立的量子網(wǎng)絡(luò)中,往往需要綜合利用三種類型的衛(wèi)星?!绷蝿賱P表示。在量子衛(wèi)星的加持下,量子通信已經(jīng)取得了極大的進(jìn)步。但在廖勝凱看來,想要真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用,需要在政策與技術(shù)兩方面繼續(xù)努力。
從技術(shù)上看,量子通信還應(yīng)該朝著提高碼率、提升距離、降低成本等方面發(fā)展。“目前量子通信的成熟產(chǎn)品成碼率還較低,通常僅能達(dá)到數(shù)千比特每秒(kbps)的水平,需要和對(duì)稱密碼算法結(jié)合使用,實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)率加密保護(hù);另一方面,成熟產(chǎn)品的成本較高,不利于大規(guī)模推廣應(yīng)用?!绷蝿賱P介紹。
從政策上看,作為密碼技術(shù)中密鑰分發(fā)或者密鑰協(xié)商的一種方式,量子通信需要滿足密碼應(yīng)用的合規(guī)性,形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),之后才能廣泛應(yīng)用推廣?!半m然通過近十年的努力,國(guó)內(nèi)外初步形成和發(fā)布了一些標(biāo)準(zhǔn),但還需加大支持力度,形成完備的體系并完善測(cè)評(píng)認(rèn)證能力,才能支持規(guī)?;瘧?yīng)用?!绷蝿賱P說。
盡管面臨一些挑戰(zhàn),但量子通信所能帶來的未來無(wú)疑是極其令人向往的?!霸O(shè)想一下,在未來每個(gè)人的隱私都能得到有效保護(hù),千萬(wàn)里無(wú)損傳信也會(huì)易如反掌?!绷蝿賱P表示,“我始終相信,量子通信將帶領(lǐng)人類走向一個(gè)更加美好的未來!”
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