[科学技术]潘建伟：量子通信面临两大挑战

人类真的能实现安全的信息传递吗？这是梦想还是现实？

9月10日，北京雁栖湖，虽然0/12365地上下雨；だよ，许多学者和学生来参加由中国科学院和利奥波德纳联合举办的首次双边研讨会。会上，中国科学院院士、中国科技大学常务副校长潘建伟发表了题为《梦想还是现实？量子通信的过去、现在和未来。

信息的安全传输是人类几千年来一直追求的梦想。理论上，所有依赖计算复杂度的经典加密方法原则上都是可以破解的，所以经典密码学的每一次进步都被历史发展中破解技术的进步打败了。那么人类能否发明一种密码工具来保证信息传输的安全性呢？具体来说，如何在两个很远的地方实现安全的密钥分发？

1968年，以色列科学家斯蒂芬·威斯纳(Stephen wisner)提出，可以利用量子子系统完成经典方法无法处理的信息处理任务，从而发明量子通信和量子密码。1984年，美国ibm公司的查尔斯·贝内特和加拿大蒙特利尔大学的吉列·布萨德共同提出了第一个也是最著名的量子密钥分发协议bb84。量子密钥分发利用了单光子的不可分性、未知量子态的不可复制性等微观粒子的特殊性质，从原理上保证了密钥不被窃听，从而保证了信息传输的安全性。

潘建伟在报告中指出，在实现远程安全量子通信的征程中，面临两大挑战，即现实条件下的安全和远程传输。

量子密钥分发因其理论上的无条件安全性而备受关注。然而，在实际系统中，量子密钥分发系统会由于设备的不完善而存在安全漏洞。在量子密钥分发过程中，可以严格保证线路的安全性，因此可能存在的安全漏洞集中在发送方和接收方。诱饵方案和“测量设备独立”方案分别解决了两端的安全漏洞。这两个方案都是潘建伟团队首先实现的。

潘建伟介绍，通过将“测量设备独立”方案与自主可控光源相结合，量子密钥分发可以实现“信息论可证”的安全性。因此，量子密钥分发的安全性已经在当前的现实条件下得到很好的确立。

到目前为止，在地面实验中，量子密钥分发的点到点距离可以达到500 km，而量子的隐形传态可以达到100 km。那么，如何在此基础上继续增加量子通信的距离呢？

一种分阶段的解决方案是可信中继传输，目前已被国内光纤总长度超过2000公里的“京沪干线”采用。在可信中继方案中，需要人为保证中继站的安全，而中继之间的线路是安全的。与传统的通信方式相比，整条线路面临着信息到处泄露的风险，大大提高了安全性。

长期的解决办法是使用量子中继器。量子中继包括量子纠缠提纯、量子纠缠交换和量子存储，可以在遥远的地方分配量子纠缠，从而实现远距离量子通信。潘建伟团队在量子中继核心环节取得了一系列重要成果，现在可以通过量子中继支持实现500km的量子通信。但是量子直放站的实际应用可能还需要等10年。

目前，更有效的方法是基于卫星的量子通信技术。这种方法不受地球表面障碍物的影响，在外层空间几乎没有衰减。2016年，中国成功研制并发射了世界上第一颗量子科学实验卫星“墨子”，在世界上率先实现了星地量子通信实验，充分验证了这项技术的可行性。

潘建伟在报告中展望了量子通信的未来，描绘了一幅富有想象力的画面:通过量子卫星与地面光纤网络和经典通信网络的融合，未来将形成覆盖全球的广域量子通信网络，信息安全水平将得到全面提升。通过使用广域量子通信网络，人类可以在空之间发展具有极高分辨率的望远镜技术；还可以搭建高精度的光频传输网络，精度比目前的微波时频网络提高4个数量级。墨子量子卫星开发的空量子科学实验技术也为物理学基本原理的研究提供了一个全新的平台。比如最近，潘建伟的团队利用墨子量子卫星对事件形式主义量子引力模型进行了测试，首次对量子力学和引力的整合进行了实验探索。利用高轨道空之间极低的引力场和磁场噪声，有望在未来实现精度高达10-21的光学钟，这将促进对引力波信号特别是低频信号的探测，揭示更丰富的天文现象。