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    量子密钥传输加固通信安全

    2017年3月15日 来源: 军民融合科技创新资讯平台

    在当今信息技术飞速进步的时代,安全通信的难度越来越大。由于经典信息容易被复制,因此保障通信安全的主要方法就是加密信息,使窃取者即使复制了加密后的密文也无法读取原文。但这种方法远不能保证建造“绝对安全”的通信系统,而且在实际应用中也存在着加密和解密效率低下等诸多问题。

    量子通信系统的问世,重新点燃了建造“绝对安全”通信系统的希望。根据量子物理的基本原则,未知量子的态不能被精确地复制,任何探测它的企图都会改变它的状态。那么,被某人拥有的量子态,就不能被任何其他人偷窥,因为可以通过检测量子态是否改变,从而知道是否有人试图窥测这个量子态。当我们利用量子态来记载我们的经典信息时,这种奇妙的性质就可以保证无人再能窥探那些“不能说的秘密”。通向“绝对安全通信”这个千百年来人类梦想大道的入口,在量子物理的指引下,又重新显露在视野之中。

    “量子”一词来自拉丁语 quantus,意为“多少”,代表“相当数量的某事”。在物理学中提到“量子”时,我们实际上指的是微观世界的一种倾向:物质或者说粒子的能量和其他一些性质都倾向于不连续地变化。广义地说,量子通信指利用量子比特作为信息载体来传输信息的通信技术。量子通信内涵很广泛,量子隐形传态、量子保密通信、量子密集编码等都属于量子通信领域。由于量子保密通信是目前最接近实用化的量子信息技术,也是人类目前掌握的唯一的无条件安全密码技术,我们日常提到量子通信时常常特指量子保密通信。

    量子通信的发展历史从 20 世纪 80 年代开始。1984 年,美国 IBM 公司的Bennett 和加拿大蒙特利尔大学的 Brassard共同提出了第一个量子密码通信方案,即著名的 BB84 方案,标志着量子通信领域的诞生。1992 年,Bennett 提出了简化的 BB84 方案(称为 B92 方案),并和 Bessette 合作第一次实验上原理性演示了量子密钥分发。此后,量子密码分配开始得到各方的重视。

    1995年,中国科学院物理所吴令安小组在实验室内完成了我国最早的量子密钥分发实验演示。2000年,该小组又与中国科学院研究生院合作利用单模光纤完成了 1.1千米的量子密钥分发演示实验。2004年,英国剑桥 Shields小组和日本NEC公司分别实现了122千米和150千米的光纤量子密钥分发演示性实验。2005年,中国科学技术大学郭光灿小组在北京和天津之间也实现了125千米光纤的量子密钥分发演示性实验。到2005年时,国际上已经有三个实验小组声称可以将通信距离达到100千米以上。但此时所有的量子通信实验实际都是存在安全隐患的,使得当时的安全通信距离只有10千米量级,不具有实用价值。

    量子模拟实验室

    2005年,华人科学家王向斌、罗开广、马雄峰和陈凯等共同提出了基于诱骗态的量子密钥分发实验方案,从理论上把安全通信距离大幅度提高到100千米以上。

    2006年,中国科学技术大学潘建伟团队在世界上首次利用诱骗态方案实现了安全距离超过100千米的光纤量子密钥分发实验。同时,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室—美国国家标准局联合实验组和Zeilinger教授领导的欧洲联合实验室也使用诱骗态方案实现了安全距离超过100千米量子密钥分发。这三个实验同时发表在国际著名物理学期刊《物理评论快报》上,真正打开了量子通信技术应用的大门,量子通信得以从实验室演示开始走向实用化和产业化。

    发展量子通信技术的终极目标是构建广域乃至全球范围的绝对安全的量子通信网络。通过光纤实现城域量子通信网络连接一个中等城市内部的通信节点,通过中继技术实现邻近两个城市之间的连接,通过卫星与地面站之间的自由空间光子传输和卫星平台的中转实现遥远两个区域之间的连接,是目前条件下实现全球广域量子通信最理想的途径。

    经过20年的发展,量子通信技术已经从实验室演示走向产业化和实用化,目前正在朝着高速率、远距离、网络化的方向快速发展。由于量子通信是事关国家信息安全和国防安全的战略性领域,且有可能改变未来信息产业的发展格局,因此成为美国、日本等发达国家与欧盟优先发展的科技和产业高地。

    欧盟于2008年发布了《量子信息处理与通信战略报告》,提出了欧盟量子通信的分阶段发展目标,包括实现地面量子通信网络、星地量子通信、空地一体的千千米级量子通信网络等。2008年9月,欧盟发布了关于量子密码的商业白皮书,启动量子通信技术标准化研究,并联合了来自12个欧盟国家的41个伙伴小组成立了“基于量子密码的安全通信”(SECOQC)工程,这是继欧洲核子中心和国际空间站后又一大规模的国际科技合作。2016年4月19日,欧盟委员会正式宣布计划启动总额10亿欧元的量子技术旗舰项目,目标是建立极具竞争性的欧洲量子产业,包括量子通信、量子计算及量子测量等,以增强欧洲在量子研究方面的科学领导力和卓越性,而英国政府早在2015年年初就已先期配套约3亿英镑用于支持该量子旗舰项目的启动。

    在美国国防部2013—2017年科技发展“ 五年计划”中,将量子信息与控制技术列为未来重点关注的六大颠覆性研究领域之一,同时将 IBM、美国国防部高级研究计划署(DARPA)、中国科学技术大学、美国洛克希德马丁公司和日本NTT公司列为该领域的重要研究机构。国防部高级研究计划署和洛斯阿拉莫斯国家实验室于2009年分别建成了两个多节点量子通信互联网络,并与空军合作进行了基于飞机平台的自由空间量子通信研究。2014年,美国航空航天局(NASA)正式提出了在其总部与喷气推进实验室(JPL)之间建立一个直线距离600千米、光纤皮长 1000千米左右的包含十个骨干节点的远距离光纤量子通信干线的计划。同年,全球最大的独立科技研发机构美国 Battelle 公司提出了商业化的广域量子通信网络规划,计划建造环美国的万千米量子通信骨干网络,为谷歌、IBM、微软、亚马逊等公司的数据中心之间提供量子通信服务。

    日本也提出了量子信息技术长期研究战略,目前年投入2亿美元,规划在5~10年内建成全国性的高速量子通信网。日本的国家情报通信研究机构(NICT)也启动了一个长期支持计划。日本国立信息通信研究院计划在2020年实现量子中继,到2040年建成极限容量、无条件安全的广域光纤与自由空间量子通信网络。

    我国政府高度重视量子通信技术的发展,积极应对激烈的国际竞争。近年来,在中国科学院、科学技术部、自然科学基金委等部门以及有关国防部门的大力支持下,我国科学家在发展可实用量子通信技术方面开展了系统性的深入研究,在产业化预备方面一直处于国际领先水平。2006年,潘建伟团队在有关国防部门的要求下开始开展量子通信装备预先研究项目。2008年,该团队在合肥市实现了国际上首个全通型量子通信网络,并利用该成果为60周年国庆阅兵关键节点间构建了量子通信热线,为重要信息的安全传送提供了保障。2009年,该团队又在世界上率先将采用诱骗态方案的量子通信距离突破至 200千米。自2011年起,潘建伟团队承担了首个相关国防装备演示验证项目,为型号研制和最终装备奠定了技术基础。2012年,该团队在合肥市建成了世界上首个覆盖整个合肥城区的规模化(46个节点)量子通信网络,标志着大容量的城域量子通信网络技术已经成熟。同年,该团队与新华社合作建设了金融信息量子通信验证网,在国际上首次将量子通信网络技术应用于金融信息的安全传输。自2012年年底起,潘建伟团队的最新型量子通信装备在北京投入常态运行,为十八大、纪念抗战胜利 70周年阅兵等国家重大活动提供信息安全保障。2013年,潘建伟团队又在核心量子通信器件研究上取得重要突破,成功开发了国际上迄今为止最先进的室温通信波段单光子探测器,并利用该单光子探测器在国际上首次实现了测量器件无关的量子通信,成功解决了现实环境中单光子探测系统易被黑客攻击的安全隐患,大大提高了现实条件下量子通信系统的安全性。潘建伟团队在基于量子存储的量子中继研究方面处于国际领先地位,还是国内唯一领衔开展自由空间(星—042地)量子通信实验研究的团队。

    正如习近平总书记2013年7月17日在中国科学院考察工作时发表的重要讲话中指出的:“量子通信已经开始走向实用化,这将从根本上解决通信安全问题,同时将形成新兴通信产业。”2013年,千千米光纤量子通信骨干网工程“京沪干线”正式立项,将建成连接北京、上海,贯穿济南、合肥等地的千千米级高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络,建成大尺度量子通信技术验证、应用研究和应用示范平台,推动量子通信技术在国防、政务、金融等领域的应用,带动相关产业发展。中国科学院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”于2016年8月发射成功,将在国际上率先实现高速的星—地量子通信网络,初步构建我国的广域量子通信体系,同时可实现空间尺度量子力学非定域性检验,探索对广义相对论、量子引力等基本理论的实验检验。英国《自然》杂志在其专门报道潘建伟团队量子通信工作的长篇新闻特稿《量子太空竞赛》中指出:“在量子通信领域,中国用了不到十年的时间,由一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅;中国将领先于欧洲和北美……”

    量子通信正在经历着从基础研究向应用技术转化的进程。电子信息产业界的巨型集团,例如IBM、AT&T、Bell实验室、英国电话电报公司、德国西门子公司等都纷纷投入量子通信的产业化研究中。未来,随着量子通信技术的产业化和广域量子通信网络的实现,作为保障未来信息社会通信安全的关键技术,量子密码极有可能会进入千家万户,服务于大众,成为电子政务、电子商务、电子医疗、生物特征传输和智能传输系统等各种电子服务的驱动器,为当今这个高度信息化的社会提供基础的安全服务和最可靠的安全保障。

    超400公里 抗黑客量子密钥分发实现

    潘建伟及其同事张强、陈腾云以及清华大学王向斌等单位科研人员合作,在国际上首次实现超过400公里抵御量子黑客攻击的测量设备无关量子密钥分发。该成果去年11月发表在权威学术期刊《物理评论快报》上,被选为编辑推荐文章,并被美国物理学会下属《物理》杂志报道。该成果极大地推动了兼顾安全和实用的远距离光纤量子通信的发展。

    量子密钥分发可以为分隔两地的用户提供无条件安全的共享密钥。从1984年第一个量子密钥分发协议(BB84协议)提出以来,增加安全通信距离、提高安全成码率和提高现实系统的安全性是开发实用性量子密钥分发最重要的三个目标。此前的实验结果安全成码率较低,严重限制了该量子通信技术的实际应用。针对此问题,王向斌小组提出了4强度优化理论方法,可以大幅度提高安全成码率和安全距离。

    此次,潘建伟小组进一步通过发展稳定的双光子干涉技术和系统长时间稳定技术,采用4强度优化理论方法,结合上海微系统所尤立星研究员研制的高效低噪声超导纳米线单光子探测器,成功地将测量设备无关的量子密钥分发安全传输记录拓展至404公里超低损耗光纤和311公里普通光纤距离,创造了光纤传输距离新的世界纪录。特别值得指出的是,在相同现实条件下,即使利用完美单光子源,BB84协议也不能在这么长的传输距离上得以实现。

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