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“天地一体化量子通信网络”价值重大

来源:光明日报
2021-01-12 12:14:22

  日前,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,标志着我国已构建出天地一体化广域量子通信网雏形,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,量子科技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:袁岚峰,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)

责任编辑:宋环

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