1.7　現(xiàn)在最火的是量子通信

1.7.1　量子通信衛(wèi)星怎么樣給小明發(fā)送密碼

我們可以舉一個(gè)簡(jiǎn)化的例子，假設(shè)量子通信衛(wèi)星給用戶小明發(fā)送密碼。

1. 第一步

此時(shí)，它需要先發(fā)出一個(gè)偏振光子，代表一個(gè)比特1或0。

由于光是一種電磁波，光子就是組成光的粒子，電磁波的振動(dòng)就像繩子抖動(dòng)一樣，可以朝這兒偏也可以朝那兒偏。夏天陽光刺眼，我們戴上墨鏡之后，就會(huì)覺得對(duì)面車窗反射的光線柔和了很多。這是因?yàn)槠衲R就像一把篩子，把方向與它不一致的偏振光過濾掉了。

量子通信的偏振光子可不是隨便偏振的，例如我們規(guī)定，朝0°方向偏振代表比特0；90°方向偏振代表比特1。先發(fā)出一個(gè)偏振光子。

接收光子的“特制墨鏡”也不是隨便放的，我們規(guī)定只能正著放，或者斜著45°放。假如“特制墨鏡”正著放，剛好可以允許0°方向和90°方向的光子通過，小明就能順利接收正確的比特。

2. 第二步

假如把“特制墨鏡”斜著45°放呢？按照牛頓力學(xué)，0°的光子撞上去肯定是頭破血流。但是量子力學(xué)可不認(rèn)這個(gè)死理兒，光子哪里有路哪里走。管它正路、斜路，先走兩步再說。

這個(gè)時(shí)候，0°的光子既想從1號(hào)口子通過，又想從0號(hào)口子通過，可是小明每次觀察它的時(shí)候，它只能通過其中一個(gè)口子，怎么辦呢？上帝也沒轍了，只能拋擲骰子決定。擲出來單號(hào)就走1號(hào)口，擲出來雙號(hào)就走0號(hào)口，施行單雙號(hào)通行。90°的光子也一樣，得先擲骰子再通行。

100年以前，量子力學(xué)剛剛創(chuàng)立的時(shí)候，兩個(gè)作為創(chuàng)始人的玻爾和愛因斯坦因?yàn)檫@個(gè)事還吵了一架。最后，玻爾吵贏了（這一場(chǎng)著名的爭(zhēng)吵，后面量子力學(xué)那一章再詳細(xì)講述）。

于是，我們得到這樣一組結(jié)論：如果量子通信衛(wèi)星發(fā)射的光子是0°或90°的，而小明以45°斜著擺放“特制墨鏡”，他收到的比特就可能是錯(cuò)的。同樣的道理，如果量子通信衛(wèi)星發(fā)射的光子是45°（同樣代表比特0）或135°（同樣代表比特1）的，而小明正常擺放“特制墨鏡”，他收到的比特也可能是錯(cuò)的。只有量子通信衛(wèi)星發(fā)出的光子的偏振方向恰好與小明擺放的“特制墨鏡”的方向一樣時(shí)，小明接收到的比特才是對(duì)的。

所以，量子通信衛(wèi)星每發(fā)射一個(gè)光子，都要隨機(jī)選擇一組方向：要么是0°和90°，要么是45°和135°。而小明每次接收光子的時(shí)候，也要隨機(jī)擺放“特制墨鏡”：要么正著放，要么斜著放。這會(huì)導(dǎo)致很多比特的傳輸都是失敗的。

上面講的是100多年前玻爾和愛因斯坦討論的怎樣發(fā)送量子比特的事，下面講現(xiàn)在的事情。

1.7.2　最火的顛覆性技術(shù)量子通信在中國

1. 全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”成功升空

2016年8月16日，中國研制的量子通信衛(wèi)星上天了！

從2005年實(shí)現(xiàn)13km自由空間量子密鑰和糾纏分發(fā)，到2016年8月全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”（見圖1-19）成功升空。再到全球最長(zhǎng)的量子保密通信“京滬干線”全線貫通，十余年間，從無到有、從弱到強(qiáng)，我國量子通信技術(shù)已躋身全球領(lǐng)先地位，吸引了國際社會(huì)的廣泛關(guān)注。

此前，“墨子號(hào)”第一個(gè)科學(xué)目標(biāo)已實(shí)現(xiàn)并在Nature上發(fā)表，即在國際上率先實(shí)現(xiàn)百萬米級(jí)星地雙向量子糾纏分發(fā)和量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)。

星地高速量子密鑰的分發(fā)是其第二個(gè)目標(biāo)，通過量子態(tài)傳輸，在遙遠(yuǎn)兩地的用戶共享無條件安全的密鑰，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、不可破譯的無條件安全的通信方式。

地星量子隱形傳態(tài)是“墨子號(hào)”的第三個(gè)科學(xué)目標(biāo)。量子隱形傳態(tài)是利用量子糾纏將物質(zhì)的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點(diǎn)，而不用傳送物質(zhì)本身。

科學(xué)家在“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星上搭載了自主研發(fā)的四種“武器”：量子密鑰通信機(jī)、量子糾纏發(fā)射機(jī)、量子糾纏源和量子實(shí)驗(yàn)控制與處理機(jī)。

同時(shí)，在地面建設(shè)了科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)，包括一個(gè)中心——合肥量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心；四個(gè)地面站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站；一個(gè)平臺(tái)——阿里量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

衛(wèi)星與地面站共同構(gòu)成天地一體化量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在兩年的設(shè)計(jì)壽命期間將進(jìn)行四大實(shí)驗(yàn)任務(wù)——星地高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)、星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)、地星量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)大致分為三類：第一類是進(jìn)行衛(wèi)星和地面之間的量子密鑰分發(fā)，實(shí)現(xiàn)天地之間的安全通信，如果四個(gè)地面站任何兩兩之間都可以實(shí)現(xiàn)安全通信，即可實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)；第二類相當(dāng)于把量子實(shí)驗(yàn)室搬到太空，在空間尺度檢驗(yàn)量子理論；第三類是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面百萬米量級(jí)的量子態(tài)隱形傳輸。

中國量子通信成果如圖1-20所示。

以量子密鑰分發(fā)為核心的量子通信，能夠提高用戶現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路安全等級(jí)，是廣泛認(rèn)可的可持續(xù)發(fā)展的安全通信方案。當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)信息安全形勢(shì)日益復(fù)雜，量子通信作為從物理機(jī)制上實(shí)現(xiàn)無條件安全的信息傳輸?shù)男滦屯ㄐ欧绞剑瑢?duì)于我國保障網(wǎng)絡(luò)與信息安全具有重要意義。

2. 量子保密通信“京滬干線”，組網(wǎng)水平全球領(lǐng)先

當(dāng)前，全球正在加快部署遠(yuǎn)距離量子通信網(wǎng)絡(luò)，中國在量子保密通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面處于全球領(lǐng)先地位。

量子保密通信“京滬干線”技術(shù)驗(yàn)證及應(yīng)用示范項(xiàng)目開工建設(shè)后，干線全長(zhǎng)2000余千米，連接北京、上海，貫穿濟(jì)南、合肥等地，已于2017年8月30日通過總技術(shù)驗(yàn)收。與2016年8月16日發(fā)射升空的“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星成功對(duì)接，標(biāo)志著全球首個(gè)星地一體廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)雛形初步建立，成功保持了中國量子通信技術(shù)實(shí)用化的國際領(lǐng)先地位。

“京滬干線”的建成，表明中國在世界上首次實(shí)現(xiàn)了基于可信中繼方案的遠(yuǎn)距離量子安全密鑰分發(fā)，驗(yàn)證了基于異或中繼方案的多節(jié)點(diǎn)量子密鑰安全中繼技術(shù)、遠(yuǎn)距離量子保密通信產(chǎn)品的可靠性、大規(guī)模量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的管理能力，檢驗(yàn)并提升了量子保密通信設(shè)備的成熟度與穩(wěn)定性，推動(dòng)了量子密鑰中繼設(shè)備、光量子交換機(jī)、波分復(fù)用等各種信道產(chǎn)品的開發(fā)和制造。與國外其他廠商相比，產(chǎn)品更加豐富，在組建多節(jié)點(diǎn)的城域網(wǎng)和大型干線網(wǎng)絡(luò)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

自我國量子保密通信“京滬干線”實(shí)施以來，主要發(fā)達(dá)國家和地區(qū)在量子通信領(lǐng)域加快戰(zhàn)略部署，特別是美國部署了為Google、Microsoft、Amazon公司等互聯(lián)網(wǎng)巨頭數(shù)據(jù)中心之間的通信提供量子安全保障服務(wù)的環(huán)美萬千米量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)；歐盟部署了量子技術(shù)旗艦計(jì)劃支持，并計(jì)劃在2030年前建成泛歐量子安全互聯(lián)網(wǎng)；韓國部署了由科學(xué)信息通信和未來規(guī)劃部（MSIP）資助、SK電信牽頭計(jì)劃在2020年建成的韓國國家量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。