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□ 本報(bào)記者葉真

從量子通信到量子計(jì)算、量子成像、量子力學(xué)……量子技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)新興的、快速發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域。近日，“量子通信”再度刷屏！我國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)出一種相位量子態(tài)與時(shí)間戳量子態(tài)混合編碼的量子直接通信新系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了100公里的量子直接通信，這也是目前世界最長(zhǎng)的量子直接通信距離。

什么是量子通信？量子通信可能給我們的生活帶來(lái)哪些改變？記者為此采訪了南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院、柔性電子(未來(lái)技術(shù))學(xué)院盛宇波教授。

量子態(tài)載體編碼讓竊聽者無(wú)計(jì)可施

量子是現(xiàn)代物理學(xué)中的一個(gè)重要概念?！傲孔油ㄐ鸥鶕?jù)任務(wù)的不同，有著多種模式。比如量子密鑰分發(fā)、量子安全直接通信(簡(jiǎn)稱量子直接通信)、量子秘密共享。這三種模式是以保護(hù)信息、信號(hào)安全為目的的，所以又稱量子保密通信。”盛宇波介紹。

其中，量子密鑰分發(fā)是最早的量子通信技術(shù)，早在20世紀(jì)80年代就已被提出，指利用量子力學(xué)的基本原理，通信雙方協(xié)商隨機(jī)密碼，之后利用共享的密碼加密成密文后，通信雙方使用傳統(tǒng)意義上的通信，就可以實(shí)現(xiàn)安全的信息傳遞。

“量子直接通信則是以量子態(tài)作為載體直接編碼和傳輸信息，改變了傳統(tǒng)保密通信的雙信道結(jié)構(gòu)；將噪聲信道下的可靠通信發(fā)展為噪聲和竊聽信道下的可靠和安全通信；不僅能夠感知竊聽，還能夠阻止竊聽。該理論是2000年由清華大學(xué)龍桂魯教授團(tuán)隊(duì)提出的。”盛宇波告訴記者。

量子直接通信如何感知并阻止竊聽呢？盛宇波解釋，量子態(tài)與常規(guī)物理量不同，不能被復(fù)制，每被測(cè)量就可能變化，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不盡相同。若有人竊聽，就會(huì)造成誤碼率顯著上升，從而被發(fā)現(xiàn)?！翱梢赃@樣理解，如果想傳遞一句話時(shí)，我們可以把這句話中的每一個(gè)字放入一個(gè)盒子里。當(dāng)信息接收者按順序收到這一個(gè)個(gè)盒子之后，分別打開盒子，就可以獲知完整的一句話。但是，就目前我們已知的通信手段，如果有竊聽者想獲取信息時(shí)，可以通過(guò)取出盒子看一眼盒子內(nèi)的字再放回去而做到‘神不知鬼不覺(jué)’，甚至可以制造一個(gè)同樣的盒子來(lái)替換信息。這時(shí)，信息的接收方不會(huì)知道信息已被竊取甚至被替換。而當(dāng)使用量子直接通信時(shí)，這個(gè)承載信息的盒子有特殊性質(zhì)，竊聽者無(wú)法復(fù)制這些量子盒子，而且只要有人去偷看，就會(huì)改變形態(tài)，破壞量子盒子，這樣竊聽者既得不到信息，也會(huì)被發(fā)現(xiàn)?！?/p>

正因?yàn)槿绱耍孔油ㄐ疟豢醋髂壳盀橹棺顬榘踩男畔鬏斒侄沃?，其廣闊的發(fā)展前景也被業(yè)界專家看好。2021年，由50位國(guó)際通信專家聯(lián)名撰寫的《6G研究白皮書》中指出：“量子安全直接通信是高安全性量子通信協(xié)議，在下一代安全通信方面將展現(xiàn)巨大的潛力?！?/p>

“此次我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的世界量子直接通信最遠(yuǎn)紀(jì)錄，將有助于實(shí)現(xiàn)無(wú)中繼條件下部分城際間的量子直接通信?！痹谑⒂畈磥?lái)，“這是一個(gè)里程碑式的工作，也是量子直接通信邁向?qū)嵱没年P(guān)鍵一步?！?/p>

量子直接通信何時(shí)走進(jìn)百姓生活

信息安全事關(guān)國(guó)計(jì)民生的重大戰(zhàn)略領(lǐng)域，日益成為世界各國(guó)安全戰(zhàn)略關(guān)注的重點(diǎn)。目前，我國(guó)在量子通信研究的水平整體上國(guó)際領(lǐng)先，國(guó)內(nèi)多所高校和科研院所都在量子通信領(lǐng)域做出了突出的科研成果。

2016年，山西大學(xué)和清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作，完成基于單光子的量子直接通信原理演示。2017年，世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)千公里星地雙向量子糾纏分發(fā)、星地高速量子密鑰分發(fā)、地星量子隱形傳態(tài)，“天宮二號(hào)”成功實(shí)現(xiàn)了基于小型化終端的星地量子密鑰分發(fā)。同年，中國(guó)科技大學(xué)、南京郵電大學(xué)和清華大學(xué)的團(tuán)隊(duì)，完成了基于糾纏的量子直接通信演示實(shí)驗(yàn)。2020年，北京量子科學(xué)研究院和清華大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)發(fā)布了世界首款實(shí)用化量子直接通信樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了18公里量子直接通信。2021年，盛宇波教授課題組與中科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)合作，在量子通信的噪聲處理方面提出了高效遠(yuǎn)距離的量子糾纏純化，對(duì)用于量子通信的受噪聲的量子糾纏可以高效提純，純化效率比此前國(guó)際最高水平提升了6000多倍……

量子通信的發(fā)展目標(biāo)是構(gòu)建全球范圍的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。那么，普通人何時(shí)可以通過(guò)量子直接通信傳遞信息呢？

盛宇波表示，量子通信從實(shí)驗(yàn)室中走向真實(shí)應(yīng)用，仍需在技術(shù)和工程方面的進(jìn)一步發(fā)展，將是一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的過(guò)程。就目前而言，量子通信的通信速率并不高，甚至遠(yuǎn)達(dá)不到目前已相對(duì)成熟的5G通信速率。“不過(guò)我相信，當(dāng)未來(lái)科學(xué)技術(shù)發(fā)展到更高水平時(shí)，或許量子通信可以與6G網(wǎng)絡(luò)甚至更新一代的網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，人們可以實(shí)現(xiàn)既快速又安全的信息傳輸，最終實(shí)現(xiàn)星際量子通信。但是有一點(diǎn)要說(shuō)明，量子通信不是超光速通信，任何通信速度都不可能超光速。”

值得期待的是，數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，包括量子通信在內(nèi)的量子信息技術(shù)的實(shí)用化日漸被重視。我省已前瞻布局量子信息產(chǎn)業(yè)。在《江蘇省“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》中指出，“十四五”期間，江蘇將繼續(xù)加快關(guān)鍵核心數(shù)字技術(shù)攻關(guān)，超前部署包括量子科技在內(nèi)的前沿技術(shù)研發(fā)，加強(qiáng)量子通信等前沿領(lǐng)域的數(shù)字人才隊(duì)伍建設(shè)。不遠(yuǎn)的將來(lái)，長(zhǎng)三角量子科技產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心將落戶蘇州。