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徐令予:量子通信京沪干线
送交者: x-file 2017年03月06日18:14:38 于 [世界游戏论坛] 发送悄悄话


  • 徐令予

    徐令予加州大学洛杉矶分校物理系研究员

量子通信京沪干线京沪量子通信干线

【文/ 观察者网专栏作者 徐令予】

去年中国的科技界捷报频传,令人目不暇接。跨入2017年,中国科技向前迈进的步伐有着进一步加快的迹象,两千公里长的京沪量子通信干线建成就是一个最好的证明。

目前的量子通信实质上就是量子密钥分配技术(又称QKD),它是利用“单量子不可克隆定理”来实现密钥配送的绝对安全。京沪量子通信干线建成后,位于北京和上海的用户之间可以分享高度安全的密钥,然后发送方使用这种对称密钥对信息加密后通过公共通信网络上传送,接送方用该密钥解密得到信息原文,双方通信的安全性有了可靠的保障。远程量子通信干线的建成是现代量子信息技术发展的重要里程碑。不久前,IEEE的杂志Spectrum 对中国的京沪量子通信干线有篇评论,写得深入浅出、通俗易懂,很值得一读[1],规劝那些量子通信怀疑论者更应该好好读读。

直到目前为止,世界上最长的量子通信光纤网络全长为307公里,由欧洲的日内瓦大学和康宁玻璃公司合作建造[2][3]。英国准备在布里斯托尔大学和剑桥大学之间建立一条连结8个大学的量子通信干线,全长大约500多公里,可惜还停留在图纸上,如果他们不向中国派出留学生或请中国专家指导,我估计2020年前他们不会有什么戏可唱。

长久以来,量子通信线路的距离像兔子的尾巴,长不了,这是由单光子的量子物理特性所决定的。量子密钥交换分配是通过单个光子的量子态传递的,问题是单个光子在光纤和空气中会被吸收和散射,它们传输的距离是有限的。单个光子最大传输距离也服从统计规律,传输距离越长,光子被吸收和散射掉的机会越大。

这个规律严重地制约了远距离量子密钥交换的效率。数据显示,在一千公里的光纤上用单光子直接进行量子密钥交换,无论采用怎样好的技术,最好的结果大概三百年传递一位两进制密钥,这个结果显然是无法接受的。

在传统的远距离通信中常常釆用的信号放大和中继技术根本不适合光量子通信,因为任何对单个光子的测量、拷贝和处理都会改变单个光子的量子状态,这必定导致量子密钥分配传递的失败。这就是为什么直到目前为止,量子密钥分配的极限就在一百公里左右,这道坎一直难以逾越,远距离的量子通信干线始终只停留在书斋的论文中。从1984年国际上首个量子密钥分发协议(BB84协议)提出以来,增加安全通信距离、改善密钥分配效率和提高整体系统的安全性,成为开发实用性量子密钥分配系统最重要的3个目标。

如今中国的科技工程人员力克诸多技术难关,在世界上首次实现二千公里远距离量子密钥分配,这是一件非常了不起的工程实践。据报道,其关键技术的突破是可信任量子密钥中继站。可信任量子密钥中继站不是简单的光量子接收、放大和再传送,而是密钥在可信任中继站之间的接力递送。具体的技术实现手段又有多种,有兴趣的可以读一读附件[4]。

简单地可以这样来理解:用户A先后通过两个可信任中继站N和M与用户B配送密钥,A先与N通过光量子交换得密钥K,N又与M之间交换得密钥K2,然后N通过公共信道用公钥保护后送K和K2的混合码给M,由于M知道K2,所以只有M明白了A送出的是密钥K,然后M再与用户B光量子交换得密钥K3,并且也通过公共信道把K和K3混合码送给用户B,只有B明白了A送给自己的真正密钥是K。

使用可信任中继站技术的通信干线的软肋就在中继站里面,因为由光量子携带的密钥到达中继站后都会被转换成传统密钥讯号,它们会成为黑客攻击的首选目标。许多人对这种中继站方案提出质疑是正常和可以理解的,但是首先应该看到,现在的可信任中继站主要靠计算机严密监视,几乎无需人员参与,量子中继站有自毁装置,一旦发现有疑,立即停止光量子传送并删除所有密钥。

我们必须明白,在传统网络上,窃密者可以在全线处处设伏攻击,防不胜防。而在量子中继网络中,我们根本无需关心线路上的安全(包括客户接入网络那一段线路,这往往是最危险的部分),现在只要重点防守可信任中继站就足够了。这与军事上防守方都选择多山地形,用重兵扼守山隘是一个道理。

有读者提出了在冷战时美方在柏林地下搭建窃听站,这个例子充分说明传统电讯网之不安全,窃听者可在线路的任一地点分出讯号并解密得到情报而不被发觉。而在量子密钥中继网络上,这样的窃密方式根本不可能。

连接北京、济南、合肥和上海四个大城市,全长为两千公里的量子通信干线共使用32个可信任光量子中继站,每两个中继站之间的平均距离为62.5公里,约为自由单光子极限传输距离的一半,这足以保证量子密钥传输的可靠性和稳定性了,这样量子密钥的传输速率可以做到很高。我估计在这条量子通信干线上每秒至少可以传送一万比特的量子密钥,也就是说一千位比特的密钥每秒钟可以传送十条以上,在长达两千公里的距离上如能达到这样可观的性能指标就是了不起的技术突破,它为量子通信技术的实用化打下了坚实的基础。

让量子通信飞入寻常百姓家的必要条件是量子通信网络的远程化和全覆盖,可信任量子中继站技术对量子通信网络的远程化意义重大,但是这还远远不够,从长远看,利用卫星进行光量子通信中继和利用量子纠缠态传递密码信息可能是大幅拓展量子通信网络的重要手段。同样,中国在这两项高新技术探索中也领先世界,中国工业现代化的速度令世人瞩目。

从上世纪五十年代开始的中国工业化的道路可以大致分为这样几个阶段:1)前三十年:欧美有的,我也要会做,尽管成本高、质量差,聊胜于无吧,又谓“填空白、交学费”;2)近三十年:欧美有的,我不仅会做,而且生产成本低,质量也不差,这就是席卷全球的“Made in China”;3)最近几年又有一波新潮在涌动:欧美没有的,让我先来做,成为新技术的先驱者和开拓人。

高铁网络和远距离量子通信干线就是两个典型的例子,后者可能更有代表性、更具说服力,毕竟日本和欧洲也有高铁,差距也不大,它们目前还有本钱与中国抢市场。而远距离量子通信干线只此一家别无分店,中国是该高新技术的首个实施和应用的国家,中国也很有可能成为该领域的行业标准和规范的制定者,其长远的战略利益无法估量。

但是新技术的先驱者和开拓人是需要智慧和勇气的。鲁迅先生曾称赞:“第一个吃螃蟹的人是很令人佩服的,不是勇士谁敢去吃它呢?”中国航天科工副总经理方向明先生说过这样一段话:过去,中国航天的科研部门提出一个方案或设想,军方使用部门几乎都会问:在这个问题上,美国、外国是怎样的?于是,我们可以借鉴、参照、总结外国人的已有经验,提出修正或另辟捷径的方案。然而,从现在开始,中国航天科研部门提出的很多方案、设想,将找不到国外的参照或借鉴,中国将在航天科研的“无人区”独自探索前行。不久的将来,寂寞和孤独将是中国科技工作者的常态,他们将常常会“拔剑四顾心茫然,欲渡黄河冰塞川,将登太行雪满山。”

由此也不难理解为什么量子通信工程在中国国内受到种种的责难和非议,我撰写的科普教育和科技评论的一系列文章中,只要有关量子通信的无一例外受到最多的质疑和负面评论。当然有些问题与量子物理的抽象深奥有一定关系,但其实多数的高新技术常人也都弄不明白的,归根结底,大家真正担心的还是为什么欧美都不建量子通信干线,中国能行吗?这充分反映了人们进入“无人区”探索前行时的害怕和担忧,这是由跟随者变成领跑者必须付出的代价,角色转换引起的心理不适期将会长期苦恼着先行者。

在量子通信的高科技领域成为开拓者和领跑人是国家的战略需要,它关系着国家的生存和发展,开弓没有回头路,中国没有其它选择。因为今天的密码系统面临严峻的挑战,网络信息安全已经到了危险的时刻。而利用“单量子不可克隆定理”来实现对称密钥配送的绝对安全,可能是力挽狂澜应对危局的唯一途径[5]。

确实,从目前量子密钥分配技术的现状看,其成本高而且问题也不少,有些人提议把资金转用来改进目前的公钥密码系统,认为这样的效果可能更好。我觉得这样的想法要不得,目前的系统从原理上受到了挑战,用保守的求稳方法是下策。退一步,即使未来几年中“lattice-based crypto”公钥密码算法取得突破,它的运行效率高而且量子计算机不可破,又有什么大不了呢,掌握两套密码系统总比两手空空为好,谁也不愿裸奔吧?在人际交往中可能朝后退一步海阔天空,在科技领域中只能向前进一步方能绝处逢生,这是数百年工业革命最为深刻的经验教训。

再退一万步,即使目前讨论的量子密钥分配技术最终没有进入大规模应用,也不见得就是多大的灾难。新的技术方案只能在工程实践中去检验和修改,纸上谈兵又有何用?只有通过大规模的工程实践,方能培养和锻炼出共和国自己的量子物理和工程技术的栋梁之才,新技术的研制和投入也会催化大量相关技术的开发,开拓出新的意想不到的产业链,单凭此,就一个字:值。量子物理和它的应用技术将决定世界的未来,有兴趣的可以读读美国国家科学技术委员会最近的报告[6]。

成为量子物理和相关应用技术的开拓者和攀登者是时代的需要,开拓和攀登是艰辛的,但更是光荣的,我向潘建伟院士领导的攻关团队致敬!我不会歌唱也没有鲜花,谨以如下的文字敬献给你们。

有人问,“你为什么要去登山?”

“因为山就在那里。”(Because it is there.)请牢记登山探险家George Mallory的这句绝世名言!这里的“山”代指人间一切值得追求的高尚完美的目标。

无论攀登如何艰难,请勿轻言放弃,因为山就在那里!你岂能将它忘怀。

不管攀登怎样寂寞,不要害怕孤单,因为山就在那里!你俩作伴有依偎。

攀登者的英姿风采,不会被人遗忘,因为山就在那里!它就是你的丰碑。

注释:

[1]http://spectrum.ieee.org/telecom/security/chinas-2000km-quantum-link-is-almost-complete

[2] As of August 2015 the longest distance for optical fiber (307 km) was achieved by GAP, University of Geneva and Corning Incorporated. In the same experiment, a secret key rate of 12.7 kbit/s was generated, making it the highest bit rate system over distances of 100 km.

[3]清华大学王向斌小组提出了4强度优化理论方法,可以大幅度提高安全成码率和安全距离。理论分析表明,该方法在典型实验条件下可以将成码率提高近两个数量级,从而大幅度提高实用化水平。2016年,潘建伟小组进一步通过发展稳定的双光子干涉技术和系统长时间稳定技术,采用王向斌教授发展的理论方法,结合上海微系统所尤立星研究员研制的高效低噪声超导纳米线单光子探测器,成功地将测量设备无关的量子密钥分发安全传输记录拓展至404公里超低损耗光纤和311公里普通光纤距离,创造了光纤传输距离新的世界纪录。

[4]可信任量子通信中继站方案 附件

[5]我的一些有关量子通信的文章:

拿什么拯救你-危机四伏中的密码系统

量子密钥分配技术-维护信息安全的忠诚卫士

坚持发展量子通信技术是正道

[6]https://www.whitehouse.gov/sites/whitehouse.gov/files/images/Quantum_Info_Sci_Report_2016_07_22%20final.pdf

本文系观察者网独家稿件,文章内容纯属作者个人观点,不代表平台观点,未经授权,不得转载,否则将追究法律责任。关注观察者网微信guanchacn,每日阅读趣味文章。

    热门评论
  • 微笑
    就喷人类从来没接到过外星人的量子纠缠信标,说明量子通信技术注定不可行!!
    (这年头提欧美已经不够用了)
    • 石行
      1楼
      好高端看不懂,不知道怎么喷,如何下嘴,在线等,急
  • reinotsuki
    有些人质疑是因为不了解也担心前进过程中的失败和反复,另外一部分人是跪久了一时腿麻站不起来,然而还有一部分人则是只愿意跪不愿意站……其实很多人一说就是美爹创新多科技发达,TG渣渣只会山寨,然而一有个什么创新美爹没有呢,那就是为啥美爹没有TG去做呢?一定是此路不通劳民伤财……精分啊……
    • 石行
      好高端看不懂,不知道怎么喷,如何下嘴,在线等,急
      • 小卡
        明天去网易上班,月薪好说
        • 石行
          1楼
          好高端看不懂,不知道怎么喷,如何下嘴,在线等,急
        • 微笑
          2楼
          就喷人类从来没接到过外星人的量子纠缠信标,说明量子通信技术注定不可行!!
          (这年头提欧美已经不够用了)
      • 观网第一帅
        火车问世的时候,马车拥护者也说火车还没马车快,还搞了个比赛。现在还有马车跟火车比试吗?当年鼓吹马车胜过火车的人也不会因为自己说错话就去死,最多说一句我说错了我认错。所以完全不用管这些蠢货的言论。猪无论如何进化也听不懂人语。
        • 党的民工
          现在给天朝找爹这事已经打破次元壁了,上次看到一个“J20抄袭雪风”的说法,有理有据,我都醉得无力反驳了(滑稽)
          • 石行
            1楼
            好高端看不懂,不知道怎么喷,如何下嘴,在线等,急
          • 微笑
            2楼
            就喷人类从来没接到过外星人的量子纠缠信标,说明量子通信技术注定不可行!!
            (这年头提欧美已经不够用了)
        • 白头国大夫
          衷心希望中国的科学家们创造出更多的“太过先进,无法显示”的科技成果,向默默奉献的中国科技工作者们致敬
        • 有水喝的鱼
          中国科技工作很多项目以后进入无人区是常态化,适应吧
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