文／張文卓

量子通信是量子信息科學技術的一個分支。如同在傳統(tǒng)信息技術發(fā)展中，電磁波通信要早于計算機的出現(xiàn)一樣。在量子信息學的發(fā)展中，量子通信也作為排頭兵走在了最前面，成為了量子信息科技最先的突破點和產(chǎn)業(yè)化方向。

量子通信不應該簡單地從字面理解為用量子來通信，它的真實含義更廣泛，是利用量子力學原理對量子態(tài)進行操控，在兩個地點之間進行信息交互，可以完成經(jīng)典通信所不能完成的任務。

量子通信按照應用場景和所傳輸?shù)谋忍仡愋涂煞譃榱孔用荑€分發(fā)和量子比特傳輸兩個方向。其中量子密鑰分發(fā)可以通過對量子態(tài)的傳輸和測量，為經(jīng)典比特傳輸（即我們最常用的數(shù)字通信）建立牢不可破的量子密碼加密，是為經(jīng)典信息做加密服務的量子通信。目前以量子密鑰分發(fā)為基礎的量子加密通信已經(jīng)步入產(chǎn)業(yè)化階段，開始保護我們的信息安全。量子比特傳輸利用量子糾纏來傳輸量子比特，是服務量子計算機終端的量子通信，將應用于未來量子計算之間的量子互聯(lián)網(wǎng)。

量子密鑰分發(fā)是可能在短期內(nèi)給我們帶來更安全互聯(lián)網(wǎng)的量子加密通信的核心技術。目前產(chǎn)業(yè)化的量子密鑰分發(fā)是由美國物理學家本內(nèi)特和加拿大密碼學家布拉薩德在1984年提出的BB84協(xié)議。該協(xié)議利用對微觀粒子量子態(tài)的測量會產(chǎn)生隨機結果的量子力學原理，在收發(fā)兩端生成完全相同的隨機的二進制密鑰，是一種私鑰體系。同時量子力學中的量子不可分割原理和不可克隆定理，保證了該密鑰在分發(fā)過程中不會被任何第三方無感知地截獲，也就是說，即便被竊聽，也會被通信的兩端馬上發(fā)現(xiàn)，只需丟棄被竊聽部分的密鑰，剩余的密鑰只有收發(fā)兩端可以知道，可以真正做到“天不知地不知，只有你知我知”。

因此，量子密鑰屬于私鑰體系，其作用可與部隊的機要部門通過人工遞送密鑰做類比。但人工遞送密鑰的管理成本極高，密鑰更新慢，并且傳遞和存儲的各環(huán)節(jié)都容易泄密。而量子密鑰可以做到實時更新和傳遞，陳舊密鑰及時銷毀，幾乎不存在泄密的可能，因此可以認為是密碼學里最安全的私鑰體系。

量子密鑰分發(fā)生成的密鑰是一組真隨機的二進制數(shù)，可自由選擇任意長度，靈活用于不同長度的二進制信息的加密。由于密鑰本身隨機，用最簡單的算法（如異或）加密就能實現(xiàn)無法破解的密文，幾乎不耗費任何計算資源。根據(jù)信息論，這種隨機的密鑰通過“一次一密”的加密方式可以抵抗任何算法的破解，包括量子計算算法，達到信息論意義上的“無條件安全性”。因此量子密鑰分發(fā)從根本上保證了信息傳輸過程的安全性。這就是“量子加密通信”。

量子加密通信一經(jīng)提出，就獲得了廣泛關注，經(jīng)過三十多年的理論發(fā)展和實驗不斷驗證，世界上很多國家都相繼建成了使用BB84協(xié)議的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡，以及在此基礎上運行量子加密通信。這其中以中國的量子加密通信“京滬干線”為跨度最長（2000余公里），節(jié)點最多，最先投入使用。

2017年，中國科學技術大學潘建偉院士團隊領銜的“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星已經(jīng)完成了人類歷史上首個星地量子密鑰分發(fā)實驗，采用的是加入誘騙態(tài)的BB84協(xié)議，成碼率達到每秒5千比特，驗證了星地量子通信的可行性，為建立全球化量子加密通訊網(wǎng)絡奠定了技術基礎。

量子科學實驗衛(wèi)星和量子保密通信“京滬干線”等大科學工程和應用示范項目，讓中國在量子通信領域從基礎科研到應用化和產(chǎn)業(yè)化都做到了世界第一。

未來量子加密通信將以產(chǎn)業(yè)化為主要目標，從地面和空間雙管齊下，通過小型量子通信衛(wèi)星、光纖網(wǎng)絡組成天地一體化的量子通信網(wǎng)絡，為更安全的量子加密互聯(lián)網(wǎng)奠定基礎。