量子通信在信息安全領域 未來應用市場前景廣闊

2016-06-13

量子通信在信息安全領域有著重大的應用價值和前景,不僅可用于軍事、國防等領域的國家級保密通信,還可用于涉及秘密數據、票據的政府、電信、證券、保險、銀行、工商、地稅、財政等領域和部門,而技術又相對成熟,未來應用市場前景廣闊。

量子通信在軍事通信、政府保密通信、民用通信上都將帶來顛覆性的變革,技術又已相對成熟,經我們詳細測算,未來市場空間遠超千億元。”國內最早發表量子通信領域證券研究報告的分析師之一、興業證券通信團隊首席分析師唐海清指出。

6月3日,國家發改委發布《長江三角洲城市群發展規劃》提出,將積極建設“京滬干線”量子通信工程,推動量子通信技術在上海、合肥、蕪湖等城市使用。更引入注目的是,文件明確提出:“促進量子通信技術在政府部門、軍隊和金融機構等應用。”這被認為是政府首次明確推動量子通信技術進入政府、軍隊、金融機構。比如一些銀行系統,在客戶的征信信息、個人用戶信息的傳輸上也會通過量子,確保信息不被竊取。

按照國家發改委此前立項規劃,2016年下半年,全球最長的遠距離量子加密通信干線“京滬干線大尺度光纖量子通信骨干網”將完工交付。同時,7月中國將發射量子科學實驗衛星,推動無光纖的空中量子通信

量子理論被認為是繼牛頓經典力學后,人類科學的顛覆性發現。日前,記者在上海紐約大學舉行的“原子、分子和光物理前沿發展國際研討會”上專訪數位量子物理國際頂尖科學家,發現國內民眾對量子通信存在不少誤解,而中國在量子通信領域的實際應用正走在世界前列。

如何進行信息傳遞

下個月,我國將發射世界首顆量子科學實驗衛星,并在世界上首次實現衛星和地面之間的量子通信,構建一個天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系。

而今年9月,量子通信的核心環節:密鑰傳輸實驗,將搭乘“天宮二號”上天展開實驗。這意味著世界上第一封絕對不會被攔截、被破解、被復制,只能是“天知地知,你知我知”的密信,即將誕生。

那么,量子通信的原理是什么,如何實現信息的傳遞和加密?

量子通信,即利用量子糾纏效應,來傳遞信息。什么是量子糾纏?通俗地說,就像心電感應。量子力學研究發現,宇宙中任何一個粒子都有“雙胞胎”,二者即使隔開整個宇宙的距離,也仍然一直保持同步同時同樣變化,就像其中一個翻掌,宇宙另一頭也同時翻掌。這就像一對戀人,一個人心里對另一個人說“我愛你”,另一個人立即同步有相同感受地說“我愛你”。這一對粒子同步同樣變化的狀態,就是量子糾纏態。

利用這一原理,人們可以制備出一對糾纏粒子,把它們一個放在北京,一個放在上海,當北京的粒子一動,上海的粒子立刻就接收到信息。這就是量子通信

目前當我們討論“量子通信”,主要包含兩層應用方向:一是用量子技術取代目前技術(光纜)來傳遞信息;二是仍用目前技術傳遞信息,但信息加密的秘鑰用量子原理來分配、傳遞秘鑰。

其中第一種完全用量子技術來傳遞信息,就不像目前技術需要鋪設有形的光纜,而是無形地在空中傳輸,這就是國際常稱的free sPACe commuNIcation(空中量子通信)、國內所稱的量子隱形傳送。

但目前的空中量子通信仍有關鍵技術難題未解,短期內未有實際投入使用的項目。那2016年下半年將交付的京滬干線量子通信網絡,是指什么?

它的全稱是“京滬干線大尺度光纖量子通信骨干網”,顧名思義,它仍然需要鋪設光纜,通過有形的光纖傳送信息,這就是國際常稱的“classical transmission(傳統傳輸方法)”。

但它對信息的保密是利用量子技術,即上述兩大應用方向中的第二種:利用量子原理分配秘鑰。這也是目前全球量子技術中,最接近實際應用的研究領域。中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉說,“京滬干線”項目主要針對量子保密通信關鍵技術。

“京滬干線”年底建成

中國目前主攻量子保密通信技術,目前在建的主要是兩個項目:一是“京滬干線”,二是7月將發射的量子通信衛星

京滬干線大尺度光纖量子通信骨干網,將是目前全球總長度最長的量子保密通信干線,其長度達2000余公里,從北京出發,經過濟南、合肥,到達上海。它是世界首例千公里級高可信、可擴展的廣域光纖量子通信網絡,2013年由國家發改委立項,預計2016年9月底完成全部應用系統交付,并開始全系統上線聯調,年底完成項目總驗收。

全球量子通信的公認專家、德國美因茨大學物理學教授Peter Van Loock告訴《國際金融報》記者,若金融機構、軍隊、政府確實需要在上海與北京之間傳送絕密信息,量子保密干線是最好的保密方案。潘建偉說,該干線可以實現遠程高清量子保密視頻會議系統和其他多媒體跨域互聯應用,也可以實現金融、政務領域的遠程或同城數據災備系統、金融機構數據采集系統等應用。

量子保密技術被普遍認為是“理論上百分百不可破譯截獲”、“百分百安全”,主要基于兩個原理:海森堡測不準原理和量子不可復制原理。

三位不愿具名的中國科學家告訴記者,量子密碼通信傳遞的不是信息本身,而是傳遞密鑰,甲發送確定狀態的光子,乙采用收發器接收,而后甲乙互相對應光子狀態,一旦發現光子狀態改變,即可確認被竊聽。

但最大的難題是:光子會丟失。光子發射一段距離后就會衰減,若沒有中間站“在路上幫它調整狀態”,它就無法完成從北京到上海的穿越。

因此,量子通信要解決的兩個基本問題就是:讓光子保持量子糾纏狀態的距離變得更長、讓光子傳輸的速度更快。在同等技術條件下,中間基站(或稱“節點”)的質量非常關鍵。

截至3月,京滬干線已建設完成15個中間基站、1554千米主干線路光纜勘查和改造。其中,北京城域量子網絡已經完成了部署和測試驗收,全天候24小時連續運行,系統穩定運行時間已超過5000小時。目前正進行上海接入網的施工建設和主干線二期的建設工作。

數位科學家告訴記者,理論上,即使是量子計算機,也不可能破譯量子秘鑰,然而實際應用中,仍有許多因素可能導致秘鑰泄露。尤其是中間基站,需要先接收,再發送,容易存在被截獲的漏洞。

中國實際應用居前列

記者通過采訪發現,歐洲主攻傳輸中的中轉基站技術,美國主攻量子計算機的硬件,中國目前主攻長距離量子加密通信。總體而言,歐洲領先美國,而中國在實際應用方向走在前列。

量子通信領域,美國最新進展是在2015年,美國航空航天局(NASA)計劃在其總部與噴氣推進實驗室(JPL)之間建立一個直線距離600千米、光纖皮長1000千米左右、10個中轉基站的遠距離光纖量子通信干線,并計劃拓展到星地量子通信。目前尚未有實際進展的最新消息。

與美國相比,中國的實際應用明顯走在前列。今年7月,中國將發射首顆“量子科學實驗衛星”,這顆衛星將推動實現無光纖空中通信

衛星搭載量子密鑰通信機、量子糾纏發射機、量子糾纏源、量子試驗控制與處理機等有效載荷,具備兩套獨立的有效載荷指向機構,通過姿控指向系統協同控制,可與地面上相距千公里量級的兩處光學站同時建立量子光鏈路。

量子衛星發射后,天地一體化量子科學實驗系統將投入正式運行,完成的多項科學實驗任務包括:星地高速量子密鑰分發、廣域量子通信網絡、星地量子糾纏分發以及地星量子隱形傳態等。

“歐洲目前主攻中轉基站的突破。”全球固體量子光學與自旋電子學領域公認的專家Jorg Wrachtrup告訴記者。

歐盟2016年4月批準了10億歐元的量子研究基金。同時在2015年底推出了用于發展量子信息技術的“歐洲量子科學技術”計劃,以及《歐洲量子信息處理與通信》計劃,是繼歐洲核子中心和航天技術采取國際合作之后,又一針對重大科技問題的大規模國際合作。


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