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發(fā)展量子通信為何要上天?

發(fā)布時間:2023-06-27 10:56:00來源: 科技日報

  ◎實習記者 李詔宇

  “夫事以密成,語以泄敗?!睆墓艜r候賢君名臣的權爭往事,到近現(xiàn)代大國之間的縱橫捭闔,在信息傳遞過程中,泄密一直是人們廣泛關注的一個問題。

  如果一種通信方式能夠實現(xiàn)快速、穩(wěn)定、無損耗,那么龐培不會敗走法薩盧斯,馬謖也不會失街亭,歷史上無數(shù)由信息傳遞失誤導致的事件都將得以避免。

  古人不幸今人幸??赡艹晒鉀Q問題的手段,既非鴻雁傳書,也非魚傳尺素,而是一個看似神秘的概念——量子通信。

  6月25日至27日,世界互聯(lián)網大會數(shù)字文明尼山對話在山東舉辦。成果展上,于2022年發(fā)射升空的“濟南一號”量子微納衛(wèi)星吸引了眾多目光。隨著量子通信在應用領域越走越遠,我們不禁開始構想:量子通信將帶領人類走向怎樣的未來?量子衛(wèi)星在其中扮演著怎樣的角色?

  量子通信竊聽難

  作為量子通信的基礎概念之一,量子在近年來的各種科幻作品中出鏡率很高,但想要精確地定義它并不容易。

  中國科學院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院教授級高級工程師廖勝凱介紹,量子是現(xiàn)代物理的重要概念,即一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位,則這個物理量是量子化的,最小單位被稱為量子。

  “量子的概念由德國物理學家普朗克提出,最早被用于解釋黑體輻射這種能量現(xiàn)象。”廖勝凱表示,“后續(xù)的實驗表明,諸如角動量、電荷、能量等其他的物理量也具有不連續(xù)變化的量子化現(xiàn)象,超出牛頓經典力學理論框架的量子力學也就隨之產生。”

  廖勝凱介紹,相比于牛頓經典力學,量子力學具有如下特征:不確定性、測量坍縮性和不可克隆性。這三大特征也成了量子通信能夠實現(xiàn)的理論基礎。

  量子通信的研究內容之一就是量子密鑰分發(fā)。“基于計算復雜性的傳統(tǒng)加密技術,在原理上存在著被破譯的可能性,其破譯的困難程度只取決于計算力的強大與否。隨著數(shù)學和計算能力的不斷提升,經典密碼被破譯的可能性與日俱增?!绷蝿賱P說,“而與經典通信不同,量子密鑰分發(fā)的安全性基于物理學基本原理,與計算復雜度無關。通過量子態(tài)的傳輸,在遙遠兩地的用戶共享安全的密鑰,利用該密鑰對信息進行一次一密的嚴格加密,這是目前人類唯一已知的不可竊聽、不可破譯的原理上無條件安全的通信方式?!?/p>

  量子通信的另一重要內容是量子隱形傳態(tài)。量子隱形傳態(tài)利用量子糾纏,可以將粒子的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠地點,而不用傳送粒子本身。量子隱形傳態(tài)是構建分布式量子信息處理網絡和量子計算機的基本要素。

  采用衛(wèi)星傳信息

  “工欲善其事,必先利其器?!睙o線電通信等傳統(tǒng)通信方式要求基站等有關設備的支持。量子通信作為一種先進的通信手段,自然也離不開諸多先進的設備。既然量子通信通常采用單光子作為信息傳遞的物理載體,人們不禁想到,直接連接一條光纖是否足以滿足遠距離量子通信的需要呢?

  答案顯然是否定的。損耗問題成了光纖法不可行的癥結所在。“量子具有不可克隆原理,因此單光子量子信息不能像經典通信那樣被放大。一旦傳輸距離較遠,損耗問題就會變得極其嚴重?!绷蝿賱P指出,“根據數(shù)據測算,通過1200公里的光纖,即使有每秒百億發(fā)射率的單光子源和完美的探測器,也需要數(shù)百萬年才能傳輸一個比特的密鑰,這顯然是完全不現(xiàn)實的?!?/p>

  1200公里的光纖或許尚可制造,但每秒百億發(fā)射率的單光子源以及完美的探測器都不是目前技術等現(xiàn)實條件所能企及的,更何況人們也不可能等待數(shù)百萬年來傳輸信息??茖W家們被迫尋找其他解決問題的方向。

  既然地面走不通,上天就成了一個可能的選擇?!袄猛馓諑缀跽婵?、光信號損耗非常小的特點,通過衛(wèi)星的輔助可以大大擴展量子通信的距離?!?廖勝凱表示,“此外,由于衛(wèi)星具有方便覆蓋整個地球的獨特優(yōu)勢,使用衛(wèi)星進行量子通信是全球尺度上實現(xiàn)超遠距離實用化量子通信最有希望的途徑之一。”

  廖勝凱介紹,按照軌道的高度劃分,量子衛(wèi)星可以分為低軌衛(wèi)星(2000公里以下)、中軌衛(wèi)星(2000—20000公里)和高軌衛(wèi)星(20000公里以上)三種?!斑@些衛(wèi)星上搭載了一些量子通信的器件,可以完成量子通信的某些任務,因此被稱為量子衛(wèi)星。” 廖勝凱說。

  量子衛(wèi)星同樣可以按照重量劃分,分為小衛(wèi)星(100—500kg)、微衛(wèi)星(10—100kg)、納衛(wèi)星(1—10kg)、皮衛(wèi)星(0.1—1kg)、飛衛(wèi)星(10—100g)。“一般來說,衛(wèi)星越小,發(fā)射成本越低,性價比也就越高?!绷蝿賱P說。

  廖勝凱指出,量子衛(wèi)星的一個重要作用是作為中繼擴展量子通信的距離,從而實現(xiàn)遠距離、高難度的通信?!坝糜诹孔油ㄐ诺牡孛婊?即可信中繼)一般需要數(shù)十公里就布設一個,成本高且維護不易。如果采用衛(wèi)星傳遞信息,一切問題都將迎刃而解?!绷蝿賱P說。

  美好未來可期待

  盡管量子衛(wèi)星功能十分強大,但要想真正起到對廣域量子通信的支撐性作用,僅僅依靠一顆量子衛(wèi)星顯然是不夠的。需要更多的量子衛(wèi)星團結協(xié)作,形成衛(wèi)星組網。

  廖勝凱介紹,通常來說,實現(xiàn)衛(wèi)星組網有兩類解決方案。一類是依靠大量的低軌衛(wèi)星構成實時覆蓋的網絡。銥星計劃、星鏈計劃等均屬于此類?!暗蛙壭l(wèi)星經過地面站的通信時間往往僅有數(shù)分鐘,因此需要數(shù)百乃至數(shù)萬顆衛(wèi)星?!绷蝿賱P說。

  另一類則主要靠中高軌衛(wèi)星,如相對地面靜止的地球同步軌道衛(wèi)星?!暗厍蛲杰壍来蠹s為36000千米高,也就是目前廣播電視衛(wèi)星、常規(guī)通信衛(wèi)星所處的軌道。”廖勝凱表示,“一般來說,三顆地球同步軌道衛(wèi)星即可完成全球范圍覆蓋?!?/p>

  廖勝凱介紹,通常來說,低軌衛(wèi)星軌道低、信號強、傳輸速率高,但是過境時間短,傳輸?shù)男畔⒘可?;高軌衛(wèi)星軌道高、信號弱、傳輸速率低,但是傳輸時間長,幾乎可以全天時工作,傳輸?shù)男畔⒘看?;中軌道衛(wèi)星則處在高軌衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星之間,兼有兩者的特點。

  “具體采用哪種形式的衛(wèi)星,應根據需要選擇。在一個采用衛(wèi)星建立的量子網絡中,往往需要綜合利用三種類型的衛(wèi)星?!绷蝿賱P表示。在量子衛(wèi)星的加持下,量子通信已經取得了極大的進步。但在廖勝凱看來,想要真正實現(xiàn)大規(guī)模的應用,需要在政策與技術兩方面繼續(xù)努力。

  從技術上看,量子通信還應該朝著提高碼率、提升距離、降低成本等方面發(fā)展。“目前量子通信的成熟產品成碼率還較低,通常僅能達到數(shù)千比特每秒(kbps)的水平,需要和對稱密碼算法結合使用,實現(xiàn)大數(shù)據率加密保護;另一方面,成熟產品的成本較高,不利于大規(guī)模推廣應用。”廖勝凱介紹。

  從政策上看,作為密碼技術中密鑰分發(fā)或者密鑰協(xié)商的一種方式,量子通信需要滿足密碼應用的合規(guī)性,形成行業(yè)標準,之后才能廣泛應用推廣。“雖然通過近十年的努力,國內外初步形成和發(fā)布了一些標準,但還需加大支持力度,形成完備的體系并完善測評認證能力,才能支持規(guī)?;瘧谩!绷蝿賱P說。

  盡管面臨一些挑戰(zhàn),但量子通信所能帶來的未來無疑是極其令人向往的。“設想一下,在未來每個人的隱私都能得到有效保護,千萬里無損傳信也會易如反掌?!绷蝿賱P表示,“我始終相信,量子通信將帶領人類走向一個更加美好的未來!”

(責編:陳濛濛)

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