采用遠(yuǎn)距離自由空間傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)量子遠(yuǎn)程通信

日前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室潘建偉院士、陸朝陽教授等完成的“多自由度量子隱形傳態(tài)”名列2015年度國際物理學(xué)領(lǐng)域的十項(xiàng)重大突破榜首。

而北京到上海的2000公里量子通信干線也在緊鑼密鼓的建設(shè)中。其實(shí)，潘建偉院士、陸朝陽教授完成的“多自由度量子隱形傳態(tài)”和北京到上海的2000公里量子通信干線都被歸入量子通信范疇，但其實(shí)是兩種不同的技術(shù)。

量子密鑰分配和量子隱形傳態(tài)

量子通信在定義上存在爭(zhēng)議，目前，量子密鑰分配和量子隱形傳態(tài)都被稱為量子通信。

量子密鑰分配可以建立安全的通信密碼，通過一次一密的加密方式可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式的安全經(jīng)典通信。

具體做法是用弱相干光源發(fā)射光子，因?yàn)槿跸喔晒庠慈醯揭欢ǔ潭龋庾邮且粋€(gè)一個(gè)往外蹦的，以此代替單光子源。把一個(gè)信息編碼在一個(gè)光子上，一個(gè)光子有著不同的量子態(tài)，代表著0和1，把光子通過光纖發(fā)射過去，接收方接到密鑰后進(jìn)行解碼。

本質(zhì)上說，量子密鑰分配其實(shí)依舊依托于光纖通信，而單光子具有不可分割性是量子密碼安全性的物理基礎(chǔ)。因而量子密鑰分配并非顛覆經(jīng)典通信，更像是給經(jīng)典通信增加了一把量子密碼鎖。

現(xiàn)有的量子密鑰分發(fā)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下200公里以上的量子通信，再輔以光開關(guān)等技術(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。目前，開始產(chǎn)業(yè)化的就是量子密鑰分配，而不是量子隱形傳態(tài)，比如之前提到的北京到上海的2000公里量子通信干線，以及滬杭量子通信干線，陸家嘴量子通信金融網(wǎng)等。

量子態(tài)隱形傳輸是基于量子糾纏態(tài)的分發(fā)與量子聯(lián)合測(cè)量（量子糾纏是指兩個(gè)量子態(tài)具有相干性或處于關(guān)聯(lián)狀態(tài)，量子糾纏態(tài)分發(fā)是指制備糾纏粒子對(duì)，將不同的粒子對(duì)發(fā)往不同的地方），在經(jīng)典通信的輔助下實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的空間轉(zhuǎn)移而又不移動(dòng)量子態(tài)的物理載體。

今年2月，潘建偉院士、陸朝陽教授搭建了6光子的自旋-軌道角動(dòng)量糾纏實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了自旋和軌道角動(dòng)量的同時(shí)傳輸，在量子隱形傳態(tài)方面取得重大突破。雖然在量子隱形傳態(tài)技術(shù)上中國走在美國的前列，但現(xiàn)在僅僅是技術(shù)突破，離產(chǎn)業(yè)化還非常遙遠(yuǎn)。

（陸朝陽教授）

目前，國內(nèi)主攻量子通信技術(shù)的有潘建偉院士帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)和郭光燦院士帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)在研究量子通信方面呈現(xiàn)你追我趕的架勢(shì)——潘建偉院士在實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下200公里的量子密鑰分配；郭光燦院士實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下260公里的量子密鑰分配；在今年2月潘建偉院士、陸朝陽教授等完成的“多自由度量子隱形傳態(tài)”。

（潘建偉院士）

量子密鑰分配如何保障安全性？

由于量子隱形傳態(tài)技術(shù)還非常遙遠(yuǎn)，接下來只介紹已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的量子密鑰分配。

因?yàn)楣庾泳哂胁豢煞指钚?。在單光子發(fā)射的情況下，竊聽者不可能將光子切成兩半，拿走一半獲得密鑰，一半傳輸給接收方。因?yàn)楣庾硬豢赡鼙粶?zhǔn)確的復(fù)制，所以竊聽者無法通過復(fù)制光子獲取信息——

因?yàn)楣庾訜o法準(zhǔn)確的測(cè)量，所以竊聽者無法通過準(zhǔn)確測(cè)量光子，制備出一個(gè)一模一樣的光子。

總而言之，竊聽者無法將一個(gè)光子變成一模一樣的兩個(gè)光子，或者無法將光子信息讀取出來后將光子再發(fā)出去。一個(gè)未知的量子態(tài)是唯一的，接收者如果接收到了了準(zhǔn)確的光子，那么竊聽者就拿不到任何信息。

但弱相干光源發(fā)射出去的是單光子與多光子脈沖的概率混合，在所發(fā)出的非真空脈沖中，有些是單光子的，有些是多光子，比如2 光子、3 光子。..。..多光子脈沖即包含了多個(gè)全同偏振光子。而多光子脈沖不再擁有不可分割性，在這種情況下，竊聽者可將其分離，自己留下一個(gè)，將剩余光子送到遠(yuǎn)程合法用戶，更要命的是竊聽者的行為不會(huì)被合法用戶察覺。

為了應(yīng)對(duì)光子數(shù)分離攻擊，可以用誘騙信號(hào)量子密碼方案應(yīng)對(duì)。用弱光替代單光子，有可能存在多個(gè)光子概率，有可能存在1個(gè)光子的概率。誘騙態(tài)方法是指發(fā)射2或3種不同強(qiáng)度的全同偏振光子，經(jīng)過信道衰減后，強(qiáng)度高的光子到達(dá)的概率高，強(qiáng)度低的光子達(dá)到的概率低，在正常狀態(tài)下，這個(gè)概率是成正比的。

如果竊聽者采取從多個(gè)全同偏振光子中拿走一個(gè)的方法獲取信息，那么光子的接收概率會(huì)和正常狀態(tài)下不一樣，這樣就可以監(jiān)測(cè)出是否被竊聽。

量子密鑰分配的遠(yuǎn)程通信

目前，采用誘騙態(tài)方法的量子密鑰分配最遠(yuǎn)實(shí)驗(yàn)距離是260—300km。盡管隨著檢測(cè)技術(shù)的提高，該距離還會(huì)進(jìn)一步提高。但由于成碼率隨著距離呈指數(shù)衰減，而單量子態(tài)信號(hào)又不能在中途放大，因而基于經(jīng)典相干態(tài)光源的誘騙態(tài)方法很難直接完成遠(yuǎn)程量子通信任務(wù)。

遠(yuǎn)程量子通信的實(shí)現(xiàn)將依賴于中繼站。目前，中繼分為量子中繼和可信中繼兩種。

量子中繼以量子糾纏分發(fā)技術(shù)先在各相鄰站點(diǎn)間建立共享糾纏對(duì)，以量子存儲(chǔ)技術(shù)將糾纏對(duì)儲(chǔ)存，采用遠(yuǎn)距離自由空間傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)量子糾纏轉(zhuǎn)換。

（郭光燦院士）

比如將量子糾纏對(duì)布置在各相鄰站點(diǎn)，糾纏轉(zhuǎn)換操作后便可實(shí)現(xiàn)次近鄰站點(diǎn)間的共享糾纏，理論上可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程量子通信。但量子中繼技術(shù)難度非常大，目前還做不到。

可信中繼類似與量子密鑰接力賽，是A把密鑰傳輸給B，B再把密鑰傳輸給C，中途密鑰要落地，B是知道密鑰的所有信息的，因此要求中繼必須可信，如果一個(gè)中繼站被竊聽者控制，那么就無法保障量子通信的安全性。

相比較而言，量子中繼在中途密鑰是不落地的，擁有更好的安全性，但目前的技術(shù)達(dá)不到這方面的技術(shù)要求，已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的是可信中繼。

結(jié)語

雖然量子密鑰分配相對(duì)于量子隱形傳態(tài)的科幻程度和技術(shù)難度都要低不少，但其更具產(chǎn)業(yè)化前景，技術(shù)更成熟的優(yōu)勢(shì)也是顯而易見的。相信在“十三五”期間，國家會(huì)推動(dòng)量子通信產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，在推動(dòng)量子通信技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，更好的保障國家信息安全。