潘建伟:量子通信面临两大挑战

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  人类真的可可否 能实现安全的信息传送吗?这到底是梦想,还是现实?

  9月10日的北京雁栖湖,其实天空淅淅沥沥地下着雨,但仍有不少学者和学生赶来参加中国科学院与德国国立科学院(Leopoldina)联合举办的第一届双边研讨会。会上,中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟作了题为“梦想还是现实?量子通信的过去、现在与未来”的报告。

  对信息的安全传输是数千年来人类一直追求的梦想。理论上,所有依赖于计算繁复度的经典加密妙招原理上都可可否 能被破解,而且在历史发展中,经典密码学的每一次进步都被破解技术的进步所击败。都这样人类可可否 能伟大的创造发明一种密码工具来确保信息传输的安全性?具体而言,该如可在相距遥远的两地实现安全的密钥分配呢?

  1968年,以色列科学家斯蒂芬·威斯纳提出可可否 能用量子系统来完成经典妙招所只有够补救的信息补救任务,这启发了我门我门 伟大的创造发明量子通信和量子密码学。1984年,美国IBM公司的查尔斯·贝内特和加拿大蒙特利尔大学的吉列·巴萨德一起提出了第另俩个 也是最为著名的量子密钥分派协议BB84协议。量子密钥分派利用单光子的不可分割性、未知量子态的不可好友克隆性等微观粒子特有的性质,从原理上保证了密钥的不可窃听,从而确保了信息传送的安全。

  潘建伟在报告中指出,在人类实现远距离安全量子通信的征途上有两大挑战,分别是现实条件下的安全性大问题和远距离传输大问题。

  量子密钥分派因其具有理论上的无条件安全性而备受关注,而且在实际系统中,量子密钥分派系统会而且设备的非完美性而地处安全性漏洞。而且量子密钥分派过程中,线路的安全性是可可否 能严格保障的,而且而且的安全性漏洞就集中在发射端和接收端。诱骗态方案和“测量器件无关”方案分别补救了上述两端的安全性漏洞。这另俩个 方案均率先被潘建伟团队实现。

  潘建伟介绍道,结合“测量器件无关”方案与自主可控的光源,量子密钥分派就可可否 能达到“信息论可证”的安全性。而且,目前现实条件下量子密钥分派的安全性而且很好地建立起来了。

  迄今为止,在地面实验中,量子密钥分派的点对点距离可达到50千米量级,而量子隐形传态可达到50千米。都这样,如可在此基础上继续增加量子通信的距离呢?

  另俩个 阶段性的补救方案是可信中继传输,我国建设的光纤总长超过50千米的“京沪干线”便采用了或多或少方案。在可信中继方案中,还要人为保障中继站点的安全,而中继之间的线路则是安全的。这比传统通信手段中整条线路处处都面临着信息泄露的风险而言,大幅提高了安全性。

  更为长远的方案是使用量子中继器。量子中继包括量子纠缠纯化、量子纠缠交换和量子存储等手段,可可否 能在遥远地点间分派量子纠缠,从而实现远距离的量子通信。潘建伟团队在量子中继的核心环节取得了一系列重要成果,目前已可支持通过量子中继实现50千米的量子通信。而且量子中继器的实际应用而且还还要听候10年之久。

  目前更为有效的妙招是基于卫星的量子通信技术。或多或少手段不受地球表表皮层障碍物的影响,在外太空也几乎都这样衰减。我国于2016年研制成功并发射国际上首颗量子科学实验卫星“墨子号”,在国际上率先实现星地量子通信实验,充分验证了或多或少技术的可行性。

  报告中,潘建伟展望量子通信的未来,描绘了一幅令人遐想的图景:通过量子卫星与地面光纤网络,并与经典通信网络相融合,未来将可形成覆盖全球的广域量子通信网络,全面提升信息安全水平。而利用广域的量子通信网络,人类可可否 能发展出空间分辨率极高的望远镜技术;也可可否 能构建高精度的光频率传递网络,精度相比现在的微波时频网络可可否 能提高另俩个 数量级。而“墨子号”量子卫星发展的空间量子科学实验技术,也为物理学基本原理研究提供了全新的平台。类似于于,最近潘建伟团队利用“墨子号”量子卫星对Event Formalism量子引力模型进行了检验,首次对量子力学和引力的融合进行了实验探索。利用高轨空间极低的引力和磁场噪声,未来还有望实现精度高达10-21的光钟,而且助于对引力波信号,很糙是低频信号的探测,可可否 能揭示更为丰厚的天文大问题。