21ic通信網(wǎng)訊，量子通信技術(shù)基于量子物理學(xué)的基本原理，克服了經(jīng)典加密技術(shù)內(nèi)在的安全隱患，是迄今為止唯一被嚴(yán)格證明是無(wú)條件安全的通信方式。為了拓展應(yīng)用、與現(xiàn)有通信系統(tǒng)兼容以及大量減少成本，需對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式進(jìn)行組網(wǎng)并充分利用經(jīng)典通信設(shè)施。與此同時(shí)，量子克隆技術(shù)的出現(xiàn)也使得我們開(kāi)始重新審視量子通信的安全性問(wèn)題。量子通信是相對(duì)最安全的，但任何事情都不是絕對(duì)的，有矛就有盾。一方面有“量子非克隆原理”，另一方面有實(shí)現(xiàn)近似量子克隆的“量子克隆機(jī)”。怎樣可靠地評(píng)估安全性？怎樣進(jìn)行攻擊？是值得研討的問(wèn)題。在不久的將來(lái)，量子通信與經(jīng)典通信的融合發(fā)展將會(huì)帶來(lái)通信世界的新紀(jì)元。

近期，國(guó)內(nèi)頂尖專家們來(lái)到西苑沙龍，就量子通信的現(xiàn)在與未來(lái)，展開(kāi)了深刻的探討。

什么是量子通信？

在量子的世界中，對(duì)于一個(gè)微觀的粒子，測(cè)量過(guò)程本身將不可避免的給我們要測(cè)量的物體造成一個(gè)顯著的擾動(dòng)，而且即使在原則上，我們也完全沒(méi)辦法把這一擾動(dòng)減小到零；另一方面，觀測(cè)行為本身又會(huì)破壞粒子原來(lái)的狀態(tài)，讓你永遠(yuǎn)不可能知道粒子本來(lái)的狀態(tài)是什么。這就是量子不可克隆原理：你不能夠復(fù)制一個(gè)未知的量子態(tài)，而不改變量子態(tài)本身。量子不可克隆原理是量子加密的基礎(chǔ)。如果我們把想要保密傳輸?shù)男畔?，加載到一個(gè)個(gè)不可能被準(zhǔn)確觀測(cè)和復(fù)制的量子態(tài)上，而任何的竊聽(tīng)行為都會(huì)改變?cè)緜鬏數(shù)臄?shù)據(jù)。那么最后我們?nèi)∫徊糠謹(jǐn)?shù)據(jù)出來(lái)，檢查原本傳輸?shù)男畔⑹欠癖黄茐模湍軌驒z測(cè)到竊聽(tīng)者是否存在。

整個(gè)量子通信中，具有短期內(nèi)真實(shí)的應(yīng)用潛能的就是量子保密通信，其中最有用的部分就是量子密鑰分發(fā)。經(jīng)典通信使用最廣泛的公鑰密碼，是假定一些數(shù)學(xué)難題，最典型的是假定大型數(shù)據(jù)分解的數(shù)學(xué)難題。但是，隨著計(jì)算能力的不斷提高，特別是未來(lái)量子計(jì)算機(jī)如果實(shí)現(xiàn)的話，這種數(shù)學(xué)難題的復(fù)雜性就迎刃而解了，換句話說(shuō)，經(jīng)典保密通信基于的數(shù)學(xué)方法不能獲得嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明。在這個(gè)背景下，量子保密通信最大的賣點(diǎn)就是它的安全性獲得了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明，這也可以從其基本的量子力學(xué)的基本原理來(lái)解釋。

量子通信另一個(gè)核心內(nèi)容是隱形傳輸，是利用了光子等基本粒子的量子糾纏原理來(lái)實(shí)現(xiàn)保密通信過(guò)程。糾纏是一種詭異的超距離相互關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象：兩個(gè)糾纏在一起的粒子，即使被完全隔離，當(dāng)觀測(cè)一個(gè)粒子的狀態(tài)時(shí)，另一個(gè)粒子的狀態(tài)也會(huì)發(fā)生瞬時(shí)的改變。換言之，兩個(gè)粒子的量子狀態(tài)是完全關(guān)聯(lián)的。量子物理讓人最不可思議的地方在于，事物的狀態(tài)并不是唯一確定的。對(duì)于宏觀的硬幣而言，只可能存在兩種狀態(tài)：正面朝上或是反面朝上。但對(duì)于一枚量子硬幣，它可以既是正面朝上又是反面朝上。對(duì)于兩枚糾纏在一起的量子硬幣，如果發(fā)現(xiàn)其中一枚是正面朝上，另一枚也一定是正面朝上；當(dāng)發(fā)現(xiàn)一枚是反面朝上，另一枚也一定是反面朝上；如果發(fā)現(xiàn)一枚既是正面朝上又是反面朝上，另外一枚也一定既是正面朝上又是反面朝上。因此，糾纏所包含的關(guān)聯(lián)性，要比我們通常理解的宏觀上的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)得多。

事實(shí)上，糾纏的兩個(gè)粒子盡管可以在很遠(yuǎn)的距離上一個(gè)影響另一個(gè)，但它們無(wú)法傳遞任何信息。以密鑰為例，當(dāng)雙方共享同一套密鑰時(shí)，并沒(méi)有發(fā)生信息的傳遞，直到加密的文本傳來(lái)，密鑰才有意義。量子通信和傳統(tǒng)通信的唯一區(qū)別在于，量子通信采用了一種新的密鑰生成方式，而且密鑰不可能被第三方獲取。

向全球的量子通信網(wǎng)邁進(jìn)

發(fā)展量子通信技術(shù)的終極目標(biāo)是構(gòu)建廣域乃至全球范圍的絕對(duì)安全的量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)連接一個(gè)中等城市內(nèi)部的通信節(jié)點(diǎn)、通過(guò)量子中繼實(shí)現(xiàn)鄰近兩個(gè)城市之間的連接、通過(guò)衛(wèi)星與地面站之間的自由空間光子傳輸和衛(wèi)星平臺(tái)的中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)遙遠(yuǎn)兩個(gè)區(qū)域之間的連接，是實(shí)現(xiàn)全球廣域量子通信最理想的路線圖。

在這一路線圖的指引下，歐洲、美國(guó)和中國(guó)等在過(guò)去幾年中均進(jìn)行了戰(zhàn)略性部署，投入了大量的科研資源和開(kāi)發(fā)力量，進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和實(shí)用化、工程化探索，力爭(zhēng)在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)先機(jī)。光纖量子密碼技術(shù)目前正從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)量子密鑰分發(fā)的初級(jí)階段向?qū)崿F(xiàn)多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的量子安全性方向深入發(fā)展階段，全球各地正在加緊進(jìn)行量子通信系統(tǒng)的實(shí)用化和工程化建設(shè)。

由美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究署（DARPA）支持， BBN公司（具有很強(qiáng)的軍方特色）技術(shù)部聯(lián)合波斯頓大學(xué)與哈佛大學(xué)共同開(kāi)展了量子保密通信與IP 互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的五年試驗(yàn)計(jì)劃。該計(jì)劃主要內(nèi)容是以BBN技術(shù)部、波斯頓大學(xué)和哈佛大學(xué)作為三個(gè)節(jié)點(diǎn)以構(gòu)建融合現(xiàn)行光纖通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和量子光通信的量子互聯(lián)網(wǎng)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)保密通信。

在歐盟發(fā)布的《量子信息處理和通信：歐洲研究現(xiàn)狀、愿景與目標(biāo)戰(zhàn)略報(bào)告》中給出了歐洲未來(lái)五年和十年量子信息的發(fā)展目標(biāo)，例如將重點(diǎn)發(fā)展量子中繼和衛(wèi)星量子通信，實(shí)現(xiàn)1000公里量級(jí)的量子密鑰分配。歐洲空間局計(jì)劃到2018年將國(guó)際空間站上的量子通信終端與一個(gè)或多個(gè)地面站之間建立自由空間量子通信鏈路，首次演示絕對(duì)安全的空間量子密鑰全球分發(fā)的可行性。歐盟在2008年9月發(fā)布了關(guān)于量子密碼的商業(yè)白皮書，啟動(dòng)量子通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究，并聯(lián)合了來(lái)自12個(gè)歐盟國(guó)家的41個(gè)伙伴小組成立了SECOQC工程。

日本提出了量子信息技術(shù)長(zhǎng)期研究戰(zhàn)略，計(jì)劃通過(guò)高強(qiáng)度的研發(fā)投入，在5至10年內(nèi)建成全國(guó)性的高速量子通信網(wǎng)。日本郵政省將把量子信息確定為21世紀(jì)國(guó)家的戰(zhàn)略項(xiàng)目，日本的NICT也啟動(dòng)了一個(gè)長(zhǎng)期支持計(jì)劃。日本國(guó)立信息通信研究院計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)量子中繼，到2040年建成極限容量、無(wú)條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網(wǎng)絡(luò)。

另外，一些世界著名的公司也對(duì)量子信息技術(shù)投入了大量研發(fā)資本，介入了產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)，例如：美國(guó)電話電報(bào)公司（AT&T）、Bell實(shí)驗(yàn)室、IBM、Hewlett-Packard，荷蘭Philips，日本Hitachi、NEC、NTT、Toshiba，英國(guó)電話電報(bào)公司，德國(guó)西門子公司等。2010年10月，日本在東京展示一個(gè)由NEC、Toshiba、三菱電子等公司支持建設(shè)的量子通信網(wǎng)絡(luò)。由此可見(jiàn)，大型國(guó)際企業(yè)已經(jīng)實(shí)際地介入了量子通信技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。

而我國(guó)在這方面處于國(guó)際領(lǐng)先水平，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超過(guò)兩百公里（世界紀(jì)錄）的安全信息傳輸，實(shí)用化安全傳輸距離已達(dá)到幾十公里，量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已發(fā)展成熟。

實(shí)用化進(jìn)程：與經(jīng)典通信的融合

從目前的實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，將量子通信網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合是最優(yōu)的發(fā)展戰(zhàn)略?；ヂ?lián)網(wǎng)在設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有深入地考慮安全性，這造成當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題十分突出。量子通信是人類能掌握的最保密的通信技術(shù)，量子通信和經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)的融合研究對(duì)于提升未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的安全性具有重要的意義。

量子通信和經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的融合需要解決物理層和組網(wǎng)技術(shù)、中繼技術(shù)和通信應(yīng)用技術(shù)等幾個(gè)方面的融合問(wèn)題。對(duì)于未來(lái)網(wǎng)，應(yīng)當(dāng)從基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和利用上就考慮和量子通信的融合。由于傳統(tǒng)的光通信可能在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍然是主要通信技術(shù)手段，在光通信網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)，將是融合的基礎(chǔ)。

實(shí)際的量子通信中，量子通信與現(xiàn)有通信的融合是一個(gè)相互取長(zhǎng)補(bǔ)短的過(guò)程，量子通信不會(huì)完全替代現(xiàn)有的通信技術(shù)，而是在現(xiàn)有的技術(shù)上在物理層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層將兩者進(jìn)行了融合。

從物理層來(lái)說(shuō)，可以從光源、探測(cè)器和信道方面考慮。在光源方面，利用單光子源或者單離子源，或

者將激光光源衰減到單光子量級(jí)應(yīng)用到實(shí)際工程中；在探測(cè)方面，因?yàn)槭菃喂庾有盘?hào)源，需要特測(cè)器有單光子量級(jí)特征，對(duì)量子密鑰分發(fā)中的連續(xù)變量進(jìn)行測(cè)量；在信道方面，對(duì)于不同的光源用不同波長(zhǎng)的商用光纖即可滿足條件。

從網(wǎng)絡(luò)層來(lái)說(shuō)，一方面我們可以采取獨(dú)立的信道和統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也可以用一根光纖既傳遞量子信號(hào)又傳遞經(jīng)典信號(hào)；除了光纖技術(shù)，還需要采取例如基于糾纏交換的量子中繼技術(shù)來(lái)解決量子通信的遠(yuǎn)距離傳輸這一核心問(wèn)題；此外，在組網(wǎng)的往來(lái)上，可以采取電路交換或者波長(zhǎng)復(fù)用技術(shù)，并且增加量子路由器來(lái)進(jìn)行控制。

從應(yīng)用層來(lái)看，我們可以跟現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)安全協(xié)議結(jié)合，用量子密碼來(lái)替換現(xiàn)有協(xié)議中的初始密碼，這樣既可以得到更高的安全性也可以保持實(shí)際的通信速率?，F(xiàn)在實(shí)際用到的量子保密分發(fā)的方法都是用誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)的方法。而一旦用量子的方法產(chǎn)生密鑰，則必須與后繼的經(jīng)典通信結(jié)合才能實(shí)際應(yīng)用。比如，我們用量子密碼生成種子密鑰，然后用經(jīng)典的方法進(jìn)行擴(kuò)張，這樣既保證了種子密鑰的安全，同時(shí)也有很高的通信效率。

專家視點(diǎn)

于淥 中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員，中國(guó)科學(xué)院院士

量子通信從原理走上小范圍專用問(wèn)題的實(shí)用化，是現(xiàn)在全世界都在努力的方向。中國(guó)的起步不錯(cuò)，也有很好的學(xué)術(shù)帶頭人，下一步的發(fā)展就是明確定位的問(wèn)題。一方面是注意與現(xiàn)有通信的融合，要善于借鑒現(xiàn)有的通信技術(shù)；另一方面，安全性是量子通信在實(shí)際應(yīng)用中的體現(xiàn)，應(yīng)在未來(lái)制定量子通信安全性標(biāo)準(zhǔn)。

王向斌 清華大學(xué)教授

量子密鑰分發(fā)的實(shí)際產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用應(yīng)該著眼于未來(lái)并注重定位，重點(diǎn)發(fā)展局域性的重點(diǎn)需求網(wǎng)絡(luò)，而不是強(qiáng)調(diào)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)一樣的廣泛性和高功能效率。另外，任何實(shí)際的系統(tǒng)都不是絕對(duì)安全的，量子通信目前重點(diǎn)先要解決的安全問(wèn)題應(yīng)放在光源、信道和檢測(cè)方面。最終目標(biāo)是促進(jìn)量子保密通信產(chǎn)業(yè)化。

余少華 武漢郵電科學(xué)研究院總工程師、光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任

量子通信不會(huì)完全替代現(xiàn)有的通信技術(shù)，實(shí)際的量子通信中，量子通信與現(xiàn)有通信的融合是一個(gè)相互取長(zhǎng)補(bǔ)短的過(guò)程。密鑰分發(fā)與傳統(tǒng)密碼要區(qū)分開(kāi)來(lái)，要突出有優(yōu)勢(shì)的“一次一密”角度。另外，量子通信還要解決速度的問(wèn)題，努力實(shí)現(xiàn)大規(guī)模廣覆蓋。

范桁 中科院物理研究所研究員

量子通信從量子力學(xué)的原理上來(lái)說(shuō)是絕對(duì)安全的，但是實(shí)際上量子態(tài)可以被近似的克隆。比如在信道中將部分量子態(tài)截獲下來(lái)，這就是量子克隆機(jī)對(duì)量子密鑰分發(fā)的攻擊。目前，我們可以用一種特殊的相位量子克隆來(lái)對(duì)量子態(tài)進(jìn)行一定的攻擊。未來(lái)我們希望有更接近實(shí)際的安全性證明。

趙勇 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)高級(jí)工程師，中科院量子技術(shù)與應(yīng)用研究中心副主任

對(duì)于量子密鑰的推廣，我們不能摸著石頭過(guò)河，而是要重點(diǎn)關(guān)注現(xiàn)在需要解決的問(wèn)題。怎么利用現(xiàn)有和未來(lái)發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)或者下一代網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，提出更滿足未來(lái)需要的網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)取長(zhǎng)補(bǔ)短，互相融合、互相學(xué)習(xí)的過(guò)程，也是將來(lái)的工作方向。

紀(jì)越峰 北京郵電大學(xué)教授

量子通信下一步發(fā)展重點(diǎn)是量子密鑰分發(fā)中的量子通信聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，其中可信傳輸與光子交換技術(shù)是重中之重。量子通信面臨四項(xiàng)難點(diǎn)：可擴(kuò)展、強(qiáng)抗毀、廣覆蓋、立體化，另外光網(wǎng)絡(luò)上的基本特征怎么融合量子通信也是要考慮的問(wèn)題。總之，量子密鑰分發(fā)在未來(lái)推廣應(yīng)用方面面臨兩大挑戰(zhàn)：融合性和安全性。

銀振強(qiáng) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)副教授

任何實(shí)際系統(tǒng)總是存在安全性問(wèn)題，量子密碼的時(shí)代也必然存在密碼安全性的問(wèn)題。深入研究量子密碼分配系統(tǒng)各種器件的物理性質(zhì)才有可能解決安全性的問(wèn)題，研究更安全的實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與架構(gòu)，探索新的量子密鑰的協(xié)議。

李鳳華 中科院信息工程研究所研究員

量子通信首先應(yīng)該在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代找準(zhǔn)自己的定位，另外量子通信目前應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注量子密鑰分發(fā)。相對(duì)于傳統(tǒng)的通信來(lái)說(shuō)，量子密鑰分發(fā)在速度方面的“一次一密”的角度上還是有優(yōu)勢(shì)的，目前應(yīng)該應(yīng)用的重點(diǎn)在高端、重要的通信當(dāng)中，特別是在干線網(wǎng)絡(luò)上。

龍桂魯 清華大學(xué)教授

量子通信從原理上可以保證安全，但實(shí)際上由于器件、單光子發(fā)射、探測(cè)等方面的缺陷，出現(xiàn)了種種攻擊。改善器件有一個(gè)過(guò)程，每一個(gè)階段有一定的發(fā)展水平，對(duì)于重要的實(shí)際應(yīng)用方面的安全問(wèn)題，可以在現(xiàn)有的水平上把量子通信與現(xiàn)有通信結(jié)合起來(lái)，來(lái)加大信息的安全。