中国量子通信技术领先世界

中国量子通信技术领先世界领域介绍量子通信技术是量子力学与传统信息科学结合的产物，目前，主要利用光在微观世界中的量子特性，通过单个光子或纠缠光子传输“0”和“1”的数字信息来实现信息的高速传递，从理论上说可以传输超大容量的信息，且能够用于开发用经典手段无法破译的密码。但是，由于光子在传输过程中会发生衰减，在实际应用中实现远距离的光纤量子保密通信难度很大，目前量子密码在光纤中的最大传输距离只有200公里左右。不过，最新的研究表明，利用通信卫星和自由空间纠缠光子分发，很有希望实现更远距离乃至全球化的量子通信网络。人物介绍郭光灿，中国科学技术大学教授、中国科学院院士。国家科技部973项目“量子通信与量子信息技术”首席科学家，中科院重要方向项目首席科学家，国家基金委创新群体学术带头人。核心提示量子保密通信技术基于量子力学原理，能确保两地之间密钥分配的绝对安全性，从而保证通信的绝对安全。量子信号在商用光纤上传输的不稳定性是量子保密通信技术实用化的主要技术障碍；而量子信号的绝对安全的路由问题则是实现量子通信网络的主要难题。因此，从根本上解决光纤传输的稳定性问题和光纤网络的量子路由问题一直是国际学术界的两大研究热点和难题。中国科学家目前在此领域已经成功实现商业应用，领先世界。改变人类未来的新技术主持人：网友们，大家好！欢迎大家光临腾讯嘉宾聊天室，今天我们请来的嘉宾是重量级的来自我们中国科学院的郭光灿院士，郭院士和我们网友打一个招呼。郭光灿：各位网友，大家好！主持人：同时还有我们来自《科学时报》的记者王静女士。王静：大家好！主持人：今天我们这个访谈是我们和《科学时报》联合一块儿举办的是关于大国硬实力，郭教授是研究量子通信的首席专家，所以我们今天聊一个关于量子通信方面的有关问题，我们先请郭教授讲讲，什么是量子通信技术呢？郭光灿：量子通信是量子信息技术的一种。什么叫量子信息技术呢？量子信息技术是量子力学和信息科学交叉融合出的一种新技术。这一技术把量子力学推向了社会，走上了一条为人类服务的途径，是现代微电子技术发展所催生的。微电子物理技术有个摩尔定律，即电子计算机的运算速度每18个月翻一番，物理学家在80年代就已发现了这种规律有极限，发展到最后无法翻番了，无法提高其速度了。于是物理学家研究出量子信息技术，也叫后摩尔时代的新技术。它的特点是利用量子力学新的性质开辟新的信息功能，这一功能是现代微电子信息技术无法做到的。由此，量子信息技术成为一种为人类服务的具有更广阔应用前景的新技术。主持人：郭教授能不能给我们讲一讲量子通信技术的最新研究成果或者最新动态？郭光灿：量子信息技术包括两方面，一是量子计算机，另一个是量子通信。量子计算机难度比较大，现在还处在基础研究阶段，还不能应用。但是量子保密通信相对容易，经过科学家十几年的努力，现在已经可以应用，很快就可以商品化，可能形成新的量子产业，是新经济的生长点。量子通信技术安全性高，应用范围广主持人：郭老师可不可以用一个比较形象的比喻，讲一讲可以在哪些方面应用这些技术？郭光灿：量子保密通信的应用范围很广。凡需要保密的内容都可以用。根据目前情况看，可以用现在所有用光纤通信的线路，加上一个量子技术，就能实现在光纤网络上的所有传递信息的保密。如，我现在与朋友聊天，用QQ聊天，我不想让别人知道，我们俩说悄悄话，网络技术现在做不到，所有的信息都能被他人获取，但如果加上量子技术，就能够避免窃听。主持人：是不是说黑客破坏你？郭光灿：黑客可能会偷听，你挡不住，你也不知道有没有人偷听。如果你不想让人听，就可以用量子保密。而且只需要在现有网络基础上，不需要大动现有设备，加上一些新的设备，就可以使内容实现完全保密。即加上一个量子密钥，把传递的信息内容完全无序化，变得乱糟糟的。如果谁想获取，必须有一个密钥反变换，使其恢复才能解读。这个密钥只有你的朋友有，别人没有，所以你与你的朋友可以保密通信。这就是量子信息技术的一种应用。如果推广一下，这种应用就广泛了。如说银行传送各种单据，现在要派人送，如果在银行内部设置一个保密通信网络，就可以在线路上直接秘密传送。主持人：这是怎么解释呢？郭光灿：实际上，这是把一个文本进行加密，变成秘文，让别人看不到。其他人如果看到也是乱糟糟的材料。因为我们已经用量子技术建立了一个完全相同的密钥，只有接受对方能反变换可以把文件读出来。其他人虽然拿到了这个秘文，但他没有密钥，就没有办法反变换看到内容。这是量子密钥的基本性质。因此，量子技术最大的特点是它的密钥是安全的。目前所用的保密技术也有密钥，但要派人送到对方，也就是让对方与我有相同的密码本。可密码本在传送过程中是不安全的，有可能被人窃取，或者复印。因此，现在的保密通信本质上都不安全。但量子技术能做到绝对安全。这是量子的性质所决定的。量子信息技术在建立密钥时，不是事先有一个密码本，而是与对方有一个协议。通过这个协议使用量子的性质。所谓量子，就是一个一个光子通过光纤或者是通过自由空间送到对方，每一个光子含有0和1，密钥就是0、1的随机数，把这个随机数传到对方，对方收到随机数即产生一个随机密钥，只是需要时才建立，不需要保存，也就避免了泄漏。主持人：它不是一劳永逸的，只是暂时性的，每次可以变化吗？郭光灿：它不能重复使用。建新的密钥，随时使用，用完就不用了，所以不可能窃取。也许有人认为，在建密钥的过程中，有人可能会窃取，这是有可能的。但量子力学有一个详细的论证，只要有人窃听，一定能发现。在建密钥的过程中，如果有人窃取，编码就会出现许多错误，误码率会很高，由此设立密钥时就能知道有没有人被窃取。这个基本性质保证了通信的安全性，它是目前人类能想到的最安全的办法。主持人：我想问问，比如说咱们平常的QQ聊天，如果想保密，是否需要把所有的程序推翻再重新建立网络？郭光灿：不需要。QQ或者原来的那套网络装置继续照用，只是在你需要保密QQ时建立新的装置，在现有的网络软件基础上再加上量子的部分，你就可以使用。我现在有个的博士生在开一个公司叫问天量子，他们试图开辟这种量子技术实现商业化。他们的技术一般人不一定要懂量子技术，只是设立一个开关，按一个电纽就能实现保密。可以让广大普通的网友都能使用。也只有到这种程度，量子密钥技术才能走上市场。目前，量子密钥技术已实现工程化、实用化。量子信息技术发端于一个青年的“胡思乱想”主持人：请您介绍一下量子信息技术发展的历程。比如说经过了多少年的研究咱们才达到现在的成效？郭光灿：国际上，量子信息从上个世纪80年代起步。量子密码更早一些，在70年代，美国哥伦比亚大学有一个年轻的学者，提出了电子货币的概念。因为，伪钞特别猖狂。他提出，建立一个电子货币，这个电子货币就是使用量子信息，即量子货币，他提出的原理，使量子货币无法复制，只要被复制就损坏了。他写了一篇文章，投到一个杂志，那个杂志的编辑认为这个年轻人在胡思乱想，是天方夜谭，就把稿子退回去了。大概80年代，美国彼尼特和加拿大的一个密码学家开国际会议时聊天，谈到这个年轻人曾经有这个想法。他们于是就把年轻人的想法研究了一番，发现这个想法可以建立量子密码。他们提出了BB84的量子密码的方案。这就是目前国际上使用最多的一种量子密钥方案。这个方案被证明绝对安全，即便以后的量子计算机，或更高级的仪器都无法破解。后来，在他们的研究结果在实验上也被证明是成功的。这就是量子密码的开始。量子计算机具有现在电子计算机所无法比拟的功能郭光灿：关于量子计算机，最初，在人们讨论电子计算机的微电子摩尔时代后，一定会结束，而取代摩尔时代微电子技术的电子计算模型时，提出了量子计算机的概念。如果量子计算机制造成功，它确实具有现在电子计算机所无法比拟的功能。理论上，它的最大优点是利用量子性质可以做并行处理，就是单个CPU就可以进行并行处理，并行处理的能力随着处理器数目的指数上升，一台量子计算机的功能就可以相当于很多电子计算机的功能的综合，且比它还要快。也就是说，电子计算机解决不了的问题，甚至一些难题，量子计算机能够很快解决。一个最典型的例子是：一个大数分成两个素数相乘，这是我们现在使用公开密钥的安全性基础，如果这个大数能够分了，现在的公开密钥就可以破了。但大数分成两个素数，这件事情在电子计算机很难实现。因为它的复杂度呈指数上升。什么叫指数上升呢？如果把数的长度拉长了，那么你所操作的次数和花的时间就要指数上升。因此，大数分解在电子计算机理论上是可以求的，但很难。量子计算机如果研制成功了，这样的问题很容易解决。一旦量子计算机研制成功，现在的公开密钥全会被破译。电子计算机解决不了的问题，量子计算机有能力解决。量子计算机为人类提供了一种新的运算模式，这个模式有很多优点，因此，量子计算机引起了人们的兴趣。量子密码的发展，导致整个量子计算机学科蓬勃的发展。因为它对人类的社会具有非常意义。量子密码被认为是改变人类未来的新技术，因为安全性得到了保证。这是美国一个杂志评价的。最近这些年，世界各国都投入了大量研究经费发展量子信息科学，也取得非常重要的成果。具体而言，就是量子密码保密通信技术已到了实际应用的阶段。它的基本原理基本上都得到了解决，我们突破了其中的关键技术。中国科学家掌握核心量子信息技术，成功实现商业化主持人：您是什么时候开始接触这门高端学科的？郭光灿：在量子信息在国内还没有引起大家重视的时候，我们的小组就已进入到这个领域。开始时，我们只能做一些理论研究工作，因为当时没有经费建实验室。90年代初，我们开展的一些理论研究，这些工作在国际上产生了一定影响。2001年前后，我们国家开始重视这个领域，我开始得到比较强的经费的支持，到目前已建立了一个有一定规模的实验室。我们开始全力以赴突击，所以从2001年现在，不到10年的时间，我们发展了量子密码技术，从实验原理性研究到工程化演示，再到已有年轻人办公司，速度出人意料。其中，最关键的是突破了一些最重要的核心的技术。这些核心技术，我们具有独立自主的知识产权，申请了美国专利，并得到了授权。主持人：您刚才说，咱们有核心技术，那个核心技术大概是什么？郭光灿：BB84是绝对安全的，在理论上证明了，在实验室，各个国家开展了实验，也证明是绝对安全的。但是，实验室装置如果应用到光纤网络，遇到了一个困难——不稳定。为什么不稳定呢？单个量子，要调控它，就是要把0和1调到一个相位的一种量子态里，非常困难。各种因素都可能会破坏它的稳定性，常常会变成乱码。有人也提出，让一个光子朝一个方向走，两边建立密钥。它走完了以后，在一个地方让它回来，这样非常稳定，与BB84是等效的。瑞士科学家就用这种方法在日内瓦湖底商用的光纤上，建立世界上第一个真实的密钥。但后来，人们发现这个方法不安全，如果有窃听的人，用一个光子跟在这个信号光子后面走一圈，再把那个光子收回来，就可以窃取所有信息，他人还不会发现。这种方法虽然稳定，但不安全。而单向光子是安全的，可不稳定。因此，我们发明了一套新的方案，这个方案能够保证单向光子的稳定性，同时保证安全。于是，我们申请了专利。2005年，我们在北京租用网通公司的光纤，从北京到天津125公里上试用了一下。结果非常满意，我们在北京和天津建立了世界上最长距离的商用密钥。这是第一个关键的技术。这个技术使量子密码研究从实验室就走向光纤网络。第二个关键的技术是网络保密。即在光纤网络里，任何两点都能够保密通信，而不仅仅是点对点的保密通信。光纤能不能做到保密通信必须解决3个问题：光纤上实现任何两点之间的保密通信，这是其一；任何两个用户保密通信不会互相干扰，是其二；群发保密通信，即一个领导机关给下属同时多点保密通信，这是其三。如果同时实现这3个功能，才可以说保密通信网络实现。解决这个问题，遇到了一个最根本的困难：路由器问题，如果来一个信号，路由器可以识别，这个信号需要送给谁它就能送给谁，可是，量子有一个特点，不能识别它，一识别原来的信号就被破坏。因为量子是不可以识别的。这也就是成为一个难题，点对点能做成，网络很难实现。为了解决这个问题，我们发明了“量子路由器”。依靠一种波分复用技术，用波长来做标识，使不同的光子到达不同的地方。这项技术，我们已