日前，不少媒體援引中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的官方消息稱，中國科研團(tuán)隊成功實現(xiàn)了跨越4600公里的星地量子密鑰分發(fā)，標(biāo)志著我國已構(gòu)建出天地一體化廣域量子通信網(wǎng)雛形，為未來實現(xiàn)覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

這項科研成果于1月7日被發(fā)布在國際頂級期刊《自然》上。這項成果有多么重要?這意味著中國把量子保密通信推進(jìn)到了實用的程度，遙遙領(lǐng)先其他國家。

那么，什么是量子保密通信?從古至今，人類創(chuàng)造出很多密碼體系，但沒有一個在原理上能保證安全，直到量子保密通信的出現(xiàn)。傳統(tǒng)的密碼總是需要派信使去送密碼本，被傳送的密碼本在專業(yè)中被稱作“密鑰”，信使若被抓或叛變，損失巨大。后來，密碼學(xué)家們發(fā)明了用數(shù)學(xué)難題加密的方法，解密因此變成了數(shù)學(xué)挑戰(zhàn)賽，但依舊存在被解密的風(fēng)險。量子保密通信則獨(dú)辟蹊徑，提出了一種既不需要信使、也不依賴于數(shù)學(xué)難題的保密方法。

簡單來說，量子保密通信主要利用量子力學(xué)疊加、測量與糾纏等特征，讓信息的發(fā)送方和接收方直接建立聯(lián)系。信息的發(fā)送方和接收方通過一系列量子力學(xué)的操作，同時獲得了一段隨機(jī)字符串，比如011011100011。發(fā)收雙方就可以把自己手中的隨機(jī)字符串作為密鑰，用其將信息加密，后面的傳輸就完全是傳統(tǒng)的通信了，用光纖、電話、電子郵件甚至平信都可以。

由此可知，量子保密通信的技術(shù)難度集中在密鑰的產(chǎn)生環(huán)節(jié)，這一步需要量子的信道。不過，由于這套量子力學(xué)的操作只能產(chǎn)生隨機(jī)字符串，不能按特定意愿表示信息，因此不能直接用量子信道傳輸信息。

如果回溯的話，量子保密通信的原理，是1984年由加拿大和美國的科學(xué)家提出的。進(jìn)入新世紀(jì)以來，中國在實驗層面上，后來居上。2016年，中國發(fā)射了世界第一顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”。2017年，中國開通了世界第一條量子保密通信干線“京滬干線”。前者實現(xiàn)了衛(wèi)星與地面站之間的量子保密通信，傳輸介質(zhì)是真空與大氣層，也即自由空間傳輸。后者則實現(xiàn)了北京到上海之間2000公里的量子保密通信，傳輸介質(zhì)為光纖。兩種方法各有優(yōu)勢，可以互補(bǔ)使用。

“墨子號”與“京滬干線”至今為止的運(yùn)行結(jié)果，正是前述發(fā)表于《自然》雜志上的論文的主要內(nèi)容。“京滬干線”有32個節(jié)點，還有兩個地面站可以通過“墨子號”跟“京滬干線”連接，一個在河北興隆，另一個在新疆南山，總的跨度達(dá)到了4600公里。這也是論文題目《跨越4600公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)》中“4600公里”一說的來源。無論是從連接的數(shù)量、生成密鑰的速率上，還是從抵抗物理攻擊能力、穩(wěn)定性等方面來看，這個跨度4600公里的天地一體量子保密通信網(wǎng)絡(luò)都達(dá)到了實用的要求。

當(dāng)前，量子科技發(fā)展突飛猛進(jìn)，作為一項對傳統(tǒng)技術(shù)體系產(chǎn)生沖擊、進(jìn)行重構(gòu)的重大顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，量子科技已成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的前沿領(lǐng)域。以“天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)”的構(gòu)建為代表的一系列科研成果，證明中國已經(jīng)具備了在量子科技領(lǐng)域的科技實力和創(chuàng)新能力。從全球范圍來看，比對2020年歐盟發(fā)布的量子旗艦計劃《戰(zhàn)略研究議程》、美國發(fā)布的《量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略愿景》《量子互聯(lián)網(wǎng)國家戰(zhàn)略藍(lán)圖》，中國在量子通信領(lǐng)域領(lǐng)先歐盟3~5年，領(lǐng)先美國5~8年。

可以自信地說，中國在量子通信領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)“彎道超車”，但也要清醒地看到，我國量子科技發(fā)展還存在不少短板，面臨多重挑戰(zhàn)。廣大科技工作者必須堅定不移走自主創(chuàng)新道路，深入分析研判量子科技發(fā)展大勢，找準(zhǔn)我國量子科技發(fā)展的切入點和突破口，堅定信心、埋頭苦干，突破關(guān)鍵核心技術(shù)，搶占國際競爭制高點，構(gòu)筑發(fā)展新優(yōu)勢，為促進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展、保障國家安全提供更強(qiáng)有力的支撐。

(作者：袁嵐峰，系中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心副研究員、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技傳播系副主任)

關(guān)鍵詞： 量子保密通信