發(fā)展量子通信為何要上天？

2023-06-28 11:43:48來源：科技日報

“夫事以密成，語以泄敗。”從古時候賢君名臣的權爭往事，到近現(xiàn)代大國之間的縱橫捭闔，在信息傳遞過程中，泄密一直是人們廣泛關注的一個問題。

(資料圖)

如果一種通信方式能夠?qū)崿F(xiàn)快速、穩(wěn)定、無損耗，那么龐培不會敗走法薩盧斯，馬謖也不會失街亭，歷史上無數(shù)由信息傳遞失誤導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)大會數(shù)字文明尼山對話在山東舉辦。成果展上，于2022年發(fā)射升空的“濟南一號”量子微納衛(wèi)星吸引了眾多目光。隨著量子通信在應用領域越走越遠，我們不禁開始構想：量子通信將帶領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。

中國科學院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院教授級高級工程師廖勝凱介紹，量子是現(xiàn)代物理的重要概念，即一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，最小單位被稱為量子。

“量子的概念由德國物理學家普朗克提出，最早被用于解釋黑體輻射這種能量現(xiàn)象。”廖勝凱表示，“后續(xù)的實驗表明，諸如角動量、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)典力學理論框架的量子力學也就隨之產(chǎn)生。”

廖勝凱介紹，相比于牛頓經(jīng)典力學，量子力學具有如下特征：不確定性、測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。

量子通信的研究內(nèi)容之一就是量子密鑰分發(fā)。“基于計算復雜性的傳統(tǒng)加密技術，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算力的強大與否。隨著數(shù)學和計算能力的不斷提升，經(jīng)典密碼被破譯的可能性與日俱增。”廖勝凱說，“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基本原理，與計算復雜度無關。通過量子態(tài)的傳輸，在遙遠兩地的用戶共享安全的密鑰，利用該密鑰對信息進行一次一密的嚴格加密，這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的原理上無條件安全的通信方式。”

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)精確傳送到遙遠地點，而不用傳送粒子本身。量子隱形傳態(tài)是構建分布式量子信息處理網(wǎng)絡和量子計算機的基本要素。

采用衛(wèi)星傳信息

“工欲善其事，必先利其器。”無線電通信等傳統(tǒng)通信方式要求基站等有關設備的支持。量子通信作為一種先進的通信手段，自然也離不開諸多先進的設備。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所在。“量子具有不可克隆原理，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，損耗問題就會變得極其嚴重。”廖勝凱指出，“根據(jù)數(shù)據(jù)測算，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器，也需要數(shù)百萬年才能傳輸一個比特的密鑰，這顯然是完全不現(xiàn)實的。”

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器都不是目前技術等現(xiàn)實條件所能企及的，更何況人們也不可能等待數(shù)百萬年來傳輸信息。科學家們被迫尋找其他解決問題的方向。

既然地面走不通，上天就成了一個可能的選擇。“利用外太空幾乎真空、光信號損耗非常小的特點，通過衛(wèi)星的輔助可以大大擴展量子通信的距離。” 廖勝凱表示，“此外，由于衛(wèi)星具有方便覆蓋整個地球的獨特優(yōu)勢，使用衛(wèi)星進行量子通信是全球尺度上實現(xiàn)超遠距離實用化量子通信最有希望的途徑之一。”

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。“這些衛(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，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）。“一般來說，衛(wèi)星越小，發(fā)射成本越低，性價比也就越高。”廖勝凱說。

廖勝凱指出，量子衛(wèi)星的一個重要作用是作為中繼擴展量子通信的距離，從而實現(xiàn)遠距離、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)十公里就布設一個，成本高且維護不易。如果采用衛(wèi)星傳遞信息，一切問題都將迎刃而解。”廖勝凱說。

美好未來可期待

盡管量子衛(wèi)星功能十分強大，但要想真正起到對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)星團結協(xié)作，形成衛(wèi)星組網(wǎng)。

廖勝凱介紹，通常來說，實現(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)星構成實時覆蓋的網(wǎng)絡。銥星計劃、星鏈計劃等均屬于此類。“低軌衛(wèi)星經(jīng)過地面站的通信時間往往僅有數(shù)分鐘，因此需要數(shù)百乃至數(shù)萬顆衛(wèi)星。”廖勝凱說。

另一類則主要靠中高軌衛(wèi)星，如相對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、信號強、傳輸速率高，但是過境時間短，傳輸?shù)男畔⒘可伲桓哕壭l(wèi)星軌道高、信號弱、傳輸速率低，但是傳輸時間長，幾乎可以全天時工作，傳輸?shù)男畔⒘看螅恢熊壍佬l(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。

“具體采用哪種形式的衛(wèi)星，應根據(jù)需要選擇。在一個采用衛(wèi)星建立的量子網(wǎng)絡中，往往需要綜合利用三種類型的衛(wèi)星。”廖勝凱表示。在量子衛(wèi)星的加持下，量子通信已經(jīng)取得了極大的進步。但在廖勝凱看來，想要真正實現(xiàn)大規(guī)模的應用，需要在政策與技術兩方面繼續(xù)努力。

從技術上看，量子通信還應該朝著提高碼率、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，通常僅能達到數(shù)千比特每秒（kbps）的水平，需要和對稱密碼算法結合使用，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)率加密保護；另一方面，成熟產(chǎn)品的成本較高，不利于大規(guī)模推廣應用。”廖勝凱介紹。

從政策上看，作為密碼技術中密鑰分發(fā)或者密鑰協(xié)商的一種方式，量子通信需要滿足密碼應用的合規(guī)性，形成行業(yè)標準，之后才能廣泛應用推廣。“雖然通過近十年的努力，國內(nèi)外初步形成和發(fā)布了一些標準，但還需加大支持力度，形成完備的體系并完善測評認證能力，才能支持規(guī)模化應用。”廖勝凱說。

盡管面臨一些挑戰(zhàn)，但量子通信所能帶來的未來無疑是極其令人向往的。“設想一下，在未來每個人的隱私都能得到有效保護，千萬里無損傳信也會易如反掌。”廖勝凱表示，“我始終相信，量子通信將帶領人類走向一個更加美好的未來！”

實習記者李詔宇

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