2021年01月11日
【光明日报客户端】“天地一体化量子通信网络”价值重大
袁岚峰 日前，有不少媒体援引中国科学技术大学的官方消息称，中国科研团队成功实现了跨越4600公里的星地量子密钥分发，此举标志着我国已成功构建出天地一体化广域量子通信网络，为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络奠定了科学与技术基础。 这项科研成果于1月7日被发布在国际顶级期刊《自然》上。这项成果有多么重要？这意味着中国把量子保密通信推进到了实用的程度，遥遥领先其他国家。 那么，什么是量子保密通信？从古至今，人类创造出很多密码体系，但没有一个在原理上能保证安全，直到量子保密通信的出现。传统的密码总是需要派信使去送密码本，被传送的密码本在专业中被称作“密钥”，信使若被抓或叛变，损失巨大。后来，密码学家们发明了用数学难题加密的方法，解密因此变成了数学挑战赛，但依旧存在被解密的风险。量子保密通信则独辟蹊径，提出了一种既不需要信使、也不依赖于数学难题的保密方法。 简单来说，量子保密通信主要利用量子力学叠加、测量与纠缠等特征，让信息的发送方和接收方直接建立联系。信息的发送方和接收方通过一系列量子力学的操作，同时获得了一段随机字符串，比如011011100011。发收双方就可以把自己手中的随机字符串作为密钥，用其将信息加密，后面的传输就完全是传统的通信了，用光纤、电话、电子邮件甚至平信都可以。 由此可知，量子保密通信的技术难度集中在密钥的产生环节，这一步需要量子的信道。不过，由于这套量子力学的操作只能产生随机字符串，不能按特定意愿表示信息，因此不能直接用量子信道传输信息。 如果回溯的话，量子保密通信的原理，是1984年由加拿大和美国的科学家提出的。进入新世纪以来，中国在实验层面上，后来居上。2016年，中国发射了世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号”。2017年，中国开通了世界第一条量子保密通信的干线“京沪干线”。前者实现了卫星与地面站之间的量子保密通信，传输介质是真空与大气层，也即自由空间传输。后者则实现了北京到上海之间2000公里的量子保密通信，传输介质为光纤。两种方法各有优势，可以互补使用。 “墨子号”与“京沪干线”至今为止的运行结果，正是前述发表于《自然》杂志上的论文的主要内容。“京沪干线”有32个节点，还有两个地面站可以通过“墨子号”跟“京沪干线”连接，一个在河北兴隆，另一个在新疆南山，总的跨度达到了4600公里。这也是论文题目《跨越4600公里的天地一体化量子通信网络》中“4600公里”一说的来源。无论是从连接的数量、生成密钥的速率上，还是从抵抗物理攻击能力、稳定性等方面来看，这个跨度4600公里的天地一体量子保密通信网络都达到了实用的要求。 当前，量子科技发展突飞猛进，作为一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新，已成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域。以“天地一体化量子通信网络”的构建为代表的一系列科研成果，证明中国已经具备了在量子科技领域的科技实力和创新能力。从全球范围来看，比对2020年欧盟发布的量子旗舰计划《战略研究议程》、美国发布的《量子网络战略愿景》《量子互联网国家战略蓝图》，中国在量子通信领域领先欧盟3-5年，领先美国5-8年。 可以自信地说，中国在量子通信领域已经实现“弯道超车”，但也要清醒地看到，我国量子科技发展还存在不少短板，面临多重挑战。广大科技工作者必须坚定不移走自主创新道路，深入分析研判量子科技发展大势，找准我国量子科技发展的切入点和突破口，坚定信心、埋头苦干，突破关键核心技术，抢占国际竞争制高点，构筑发展新优势，为促进高质量发展、保障国家安全提供更强有力的支撑。 （作者系中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员、中国科学技术大学科技传播系副主任）
光明日报客户端2021年1月10日
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