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發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實現快速、穩定、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，世界互聯網大會數字文明尼山對話在山東舉辦。成果展上，于2022年發射升空的“濟南一號”量子微納衛星吸引了眾多目光。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新研究院教授級高級工程師廖勝凱介紹，量子是現代物理的重要概念，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象。”廖勝凱表示，“后續的實驗表明，諸如角動量、電荷、能量等其他的物理量也具有不連續變化的量子化現象，超出牛頓經典力學理論框架的量子力學也就隨之產生。”

廖勝凱介紹，相比于牛頓經典力學，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實現的理論基礎。

量子通信的研究內容之一就是量子密鑰分發。“基于計算復雜性的傳統加密技術，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。隨著數學和計算能力的不斷提升，經典密碼被破譯的可能性與日俱增。”廖勝凱說，“而與經典通信不同，量子密鑰分發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容是量子隱形傳態。量子隱形傳態利用量子糾纏，可以將粒子的未知量子態精確傳送到遙遠地點，而不用傳送粒子本身。量子隱形傳態是構建分布式量子信息處理網絡和量子計算機的基本要素。

采用衛星傳信息

“工欲善其事，必先利其器。”無線電通信等傳統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，“根據數據測算，通過1200公里的光纖，即使有每秒百億發射率的單光子源和完美的探測器，也需要數百萬年才能傳輸一個比特的密鑰，這顯然是完全不現實的。”

1200公里的光纖或許尚可制造，但每秒百億發射率的單光子源以及完美的探測器都不是目前技術等現實條件所能企及的，更何況人們也不可能等待數百萬年來傳輸信息。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，由于衛星具有方便覆蓋整個地球的獨特優勢，使用衛星進行量子通信是全球尺度上實現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，量子衛星可以分為低軌衛星（2000公里以下）、中軌衛星（2000—20000公里）和高軌衛星（20000公里以上）三種。“這些衛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，因此被稱為量子衛星。” 廖勝凱說。

量子衛星同樣可以按照重量劃分，分為小衛星（100—500kg）、微衛星（10—100kg）、納衛星（1—10kg）、皮衛星（0.1—1kg）、飛衛星（10—100g）。“一般來說，衛星越小，發射成本越低，性價比也就越高。”廖勝凱說。

廖勝凱指出，量子衛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）一般需要數十公里就布設一個，成本高且維護不易。如果采用衛星傳遞信息，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星顯然是不夠的。需要更多的量子衛星團結協作，形成衛星組網。

廖勝凱介紹，通常來說，實現衛星組網有兩類解決方案。一類是依靠大量的低軌衛星構成實時覆蓋的網絡。銥星計劃、星鏈計劃等均屬于此類。“低軌衛星經過地面站的通信時間往往僅有數分鐘，因此需要數百乃至數萬顆衛星。”廖勝凱說。

另一類則主要靠中高軌衛星，如相對地面靜止的地球同步軌道衛星。“地球同步軌道大約為36000千米高，也就是目前廣播電視衛星、常規通信衛星所處的軌道。”廖勝凱表示，“一般來說，三顆地球同步軌道衛星即可完成全球范圍覆蓋。”

廖勝凱介紹，通常來說，低軌衛星軌道低、信號強、傳輸速率高，但是過境時間短，傳輸的信息量少；高軌衛星軌道高、信號弱、傳輸速率低，但是傳輸時間長，幾乎可以全天時工作，傳輸的信息量大；中軌道衛星則處在高軌衛星和低軌衛星之間，兼有兩者的特點。

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

從技術上看，量子通信還應該朝著提高碼率、提升距離、降低成本等方面發展。“目前量子通信的成熟產品成碼率還較低，通常僅能達到數千比特每秒（kbps）的水平，需要和對稱密碼算法結合使用，實現大數據率加密保護；另一方面，成熟產品的成本較高，不利于大規模推廣應用。”廖勝凱介紹。

從政策上看，作為密碼技術中密鑰分發或者密鑰協商的一種方式，量子通信需要滿足密碼應用的合規性，形成行業標準，之后才能廣泛應用推廣。“雖然通過近十年的努力，國內外初步形成和發布了一些標準，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，才能支持規模化應用。”廖勝凱說。

盡管面臨一些挑戰，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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