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你完全可以理解量子信息(15)| 袁岚峰

发布时间:2023-03-14 13:17:03  信息来源:  阅读次数: 1623 次

导读:

目前量子密码术的安全传输距离纪录是404公里。如何在更长的距离上实现量子保密通信?科学家们提出了两条技术路线。一条技术路线是,在地面上每隔一段距离加一个中继器。另一条技术路线是,用卫星作中继器。开创量子互联网,将是中国对世界的重大贡献。


前文参见:

你完全可以理解量子信息(1) | 袁岚峰

你完全可以理解量子信息(2-3) | 袁岚峰

你完全可以理解量子信息(4-5) | 袁岚峰)

你完全可以理解量子信息(6) | 袁岚峰)

你完全可以理解量子信息(7) | 袁岚峰

你完全可以理解量子信息(8-10)| 袁岚峰

你完全可以理解量子信息(11-12)| 袁岚峰

你完全可以理解量子信息(13)| 袁岚峰

你完全可以理解量子信息(14)| 袁岚峰


十五、量子密码术的工程成果

以上是量子密码术的基本原理。为了把这些原理付诸实践,还有大量的工程技术性质的问题。

举个例子,BB84协议要求A每次只发一个光子。但实际的单光子光源效率很低,用它会导致成码率非常低,比如说几百年才能生成一个字节的密钥。绝大多数实验用的是效率高的激光光源,但激光不是严格的单光子,有一定的几率在一个脉冲中出现多个光子,这就给窃听者留下了可乘之机。

原则上,窃听者E可以在遇到单光子时拦截下来不让通过,在遇到多个光子时拿走一个,让其余的光子通过。通信双方难以分辨光子的减少是来自窃听还是来自信道的自然损耗,于是在他们公布a和b序列之后,E就知道了该用什么基组去测量自己偷走的这些光子,然后就可以得到密钥。这一招叫做“光子数分离攻击”。

实际上,对经典通信窃密的基本思路也是一样的:从大量的信号中偷走一部分,让通信方无法察觉。许多影视作品中有类似这样的情节:相距遥远的两地之间的通信是通过一根巨大的光缆实施的,窃听者知道这条光缆经过某栋建筑,就把这栋建筑租下来,在里面布置设备,从光缆上分走了一部分信号。

量子密码术之所以要用单光子,妙处正在于此。回顾一下本文开头“量子”的概念就能理解,单个光子已经是最小的单元了,所以窃听者无法只偷一部分

实验条件的种种不完美之处,会给量子密码术的安全传输距离设置一个上限,超过这个距离就可能泄密。在量子密码术最初的实验中,传输距离不到1米。到21世纪初,安全传输距离提高到了10公里的量级。但由于上述的激光不是单光子的问题,安全传输距离无法提高到20公里以上。当时许多科学家认为这项技术已经到头了,对它失去了兴趣。


光子数分离攻击

然而,2003-2005年,韩国科学家黄元瑛(Hwang W. Y.)和中国科学家王向斌、罗开广等人想出了一种巧妙的办法,就是前面提到的“诱骗态协议”。激光光源发射的光子数有一定的分布,发射许多光脉冲就相当于发射一些单光子脉冲、一些多光子脉冲和一些零光子脉冲(也就是没发)。在脉冲的平均光子数小于1时,诱骗态方法可以使得实验等效于只用单光子脉冲。对于量子密码术的安全性而言,这相当于把实际的不完美的光源变成了完美的单光子源。

克服了这个重要障碍以后,量子密码术的安全传输距离开始迅猛增长,不断刷新纪录。自那以来,大多数纪录都是中国科学技术大学的实验团队创造的。

对量子密码术的另外一类攻击是在探测器上,实际体系中大部分漏洞来自于此。例如,原则上用强激光照射接收器可以将其“致盲”,然后就可以控制它,欺骗通信者。为此,人们又发明了安全性与测量仪器无关的量子密钥分发技术。这个新技术是中国科学技术大学潘建伟团队率先实现的,被评为2013年全球物理学十大进展和2014年中国十大科技进展之一。

2016年8月16日,墨子号量子卫星上天时,光纤中的安全传输距离已经超过了200公里。2016年11月,中国科学技术大学、清华大学、中科院上海微系统与信息技术研究所、济南量子技术研究院等单位合作,又把安全传输距离提高到了404公里,而且在102公里处的安全成码率已经足以保证安全的语音通话。也就是说,间隔102公里的量子保密电话已经是在技术上可行的了。

几百公里的范围,对于一个城市内部的通信来说是够用了,我国确实在合肥、芜湖、北京、上海、济南等地建设了实验性的量子政务网。但对于城市之间、国家之间甚至大洲之间的通信,几百公里的距离远远不够。也就是说,单凭光纤的话,量子密码术就好比以前的“小灵通”,只能在一个城市内部用。要实现从小灵通到手机的跨越,还需要另辟蹊径。

如何在更长的距离上实现量子保密通信?科学家们提出了两条技术路线

一条技术路线是直截了当容易想到的,每隔一两百公里加一个中继器

跟BB84协议的原理相比,量子密码中继器的原理真是简单到爆。如果你看前者看得云里雾里,请放心,下面这一段你肯定能看懂。

假设我们有一串节点,记作1号、2号、3号……,最后是N号。先在1号和2号之间建立量子通信,产生一个密钥,记作k1。然后在2号和3号之间建立量子通信,产生一个密钥,记作k2。2号把k1作为待传输的明文,用k2对它加密,传输给3号。3号同样把k1传输给4号,4号把k1传输给5号,……一路把k1传输给N号。最后1号把真正要传输的信息用k1加密,用任意的通信方式传给N号,就完成了。Give me five!

如果你要问,带中继的量子密码术安全性如何?回答是:这取决于你跟谁比。好比你问,关羽的武力怎么样?那么跟吕布比和跟颜良比,答案完全不同。(颜良:我招谁惹谁了?)

跟两点之间直接连接的量子密码术相比,安全性是下降了。因为现在所有的N个节点都知道密钥k1,你必须守住中间的N-2个中继器,任何一个中继器被敌方攻破都会泄密。

但是跟经典通信比,安全性还是要高得多。因为在经典通信中,漫长的通信线路上每一点都可能泄密,每一点你都要防御,这是个令人望而生畏的任务。现在你只需要防守明确的N-2个节点,防线缩短了很多,安全性自然大大提升。

我国已经基本建设好了量子保密通信“京沪干线”,过不久也许你就会听到它正式开通的消息。京沪干线实际做的事情,就是在北京、济南、合肥、上海的内部量子网络的基础上,通过几十个中继节点把它们连接起来。这样,就可以在两千公里的范围内,实现量子保密通信。

量子保密通信京沪干线

有趣的是,对京沪干线最热心的不是科学家,而是金融系统的用户。中国工商银行等若干金融机构已经在试用量子密码术了,不过由于安全传输距离的限制,只能在一个城市内部使用。如果能在城际使用,对银行显然大有好处,可以开展很多以前不能开展的业务。因此,在推动京沪干线的建设上,这些银行比香港记者跑得还快!

另一条技术路线,就玩得大了,玩到天上去了:用卫星作中继器。

用卫星作中继器,优点是显而易见的:比如说卫星这个时刻在中国上空,下个时刻在欧洲上空,那么就可以实现中国和欧洲之间的量子保密通信。将来建成20颗卫星的星座,就可以覆盖全球。

卫星量子通信示意图

但困难也是显而易见的:以前光子的传输都通过光纤,现在什么介质都不用,而且一个光脉冲只能发一个光子,这样的“自由空间传输”能收到信号吗?还有,卫星跟地面处于高速的相对运动之中,把双方的探测器对准,是天地之间的“针尖对麦芒”,精度相当于“在五十公里以外把一枚一角硬币扔进一列全速行驶的高铁上的一个矿泉水瓶里”(请一口气念完这个句子!)。以这么高的对准精度,接收弱得不能再弱的光信号(真的不能再弱了,再弱就什么都没有了),这是多么大的挑战!

明知山有虎,偏向虎山行。“墨子号”量子科学实验卫星就是做这件事的,而且做成了。

关于第一个问题,自由空间传输其实完全是可行的。光子在真空中基本没有损耗,所以只需要考虑在大气层中的损耗就行了。而在某些波段,光子穿过10公里厚的大气层只损耗20%。所以在同样相距上千公里的情况下,自由空间传输的效率比光纤高得多,前者只有一小部分距离(大气层)有损耗,后者每一寸光纤都实打实地有损耗。2012年,中国科学技术大学潘建伟团队就在青海湖的湖心岛实现了百公里级的双向量子纠缠分发和量子隐形传态,验证了量子通信卫星的可行性。

青海湖湖心岛的百公里级量子纠缠分发和量子隐形传态实验

关于第二个问题,星地对准的控制难度虽然高,但也在当代技术的能力范围之内。墨子号发射之后,已经多次跟地面站实现了对准。星地对准不是用生成密钥的那个单光子来做的,而是用另外的信标光。你不可能看见单光子,因为这个单光子如果进了你的眼睛,就不会被探测器收到了。你看到的红色和绿色的光,是信标光。

由此,墨子号出人意料地繁荣了我国的艺术舞台,成就了一场星空摄影师的狂欢。他们通过重叠曝光等手段制作了很多精美的艺术照片,鼓舞大家仰望星空,治好了许多人的颈椎病。下面这张照片是新华社的记者在兴隆站拍摄的,红光和绿光分别是地面站和卫星的信标光,背景是群星运动的轨迹,即“星轨”。艺术和科技结合,美不胜收!

星轨背景下墨子号量子卫星与兴隆站用信标光对准


墨子号是世界第一颗量子科学实验卫星,科学目标包括三大实验,即星地之间的量子密钥分发、量子隐形传态和量子纠缠分发。

2017年6月,中国科学技术大学潘建伟、彭承志等人在《科学》杂志上发表文章,宣布在国际上率先实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发,并以此为基础对量子力学的基本原理进行了实验检验(检验的结果,自然是“量子力学还是对的”)。2017年8月,他们又在《自然》杂志上发表文章,在国际上首次实现了从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态。至此,墨子号的三大科学目标提前并圆满实现。

量子隐形传态实验示意图

有了以上的背景知识,你就可以看明白报道中的科学术语和技术指标了:“墨子号”量子卫星过境时,与河北兴隆地面光学站建立光链路,通信距离从645公里到1200公里。在1200公里通信距离上,星地量子密钥的传输效率比同等距离地面光纤信道高20个数量级(万亿亿倍)。卫星上量子诱骗态光源平均每秒发送4000万个信号光子,一次过轨对接实验可生成300 kbit的安全密钥,平均成码率可达1.1 kbps。

最后,无论是哪条技术路线,地面中继器还是卫星中继器,都是未来的量子保密互联网的重要的基础设施,就像通信网络对于互联网一样。网络的本质特征之一就是“边际收益递增”,即网络中已有的用户越多,新用户得到的好处就越大。建好基础设施,有了足够多的用户,用户的创造性就会迸发,奇迹就会创造出来,这是网络发展的一般规律。

30年前,20年前,甚至10年前,都没有人预见到互联网今天的样子,自媒体、网上购物、移动支付等创新超越了所有人的想象。可以预期,这一幕在量子保密网络中也将重演。开创量子互联网,将是中国对世界的重大贡献。

(未完待续)

背景简介:本文作者为袁岚峰,中国科学技术大学化学博士,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室副研究员,科技与战略风云学会会长。
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