導(dǎo)讀：

目前量子密碼術(shù)的安全傳輸距離紀(jì)錄是404公里。如何在更長的距離上實(shí)現(xiàn)量子保密通信？科學(xué)家們提出了兩條技術(shù)路線。一條技術(shù)路線是，在地面上每隔一段距離加一個(gè)中繼器。另一條技術(shù)路線是，用衛(wèi)星作中繼器。開創(chuàng)量子互聯(lián)網(wǎng)，將是中國對(duì)世界的重大貢獻(xiàn)。

前文參見：

你完全可以理解量子信息（1） | 袁嵐峰

你完全可以理解量子信息（2-3） | 袁嵐峰

你完全可以理解量子信息（4-5） | 袁嵐峰）

你完全可以理解量子信息（6） | 袁嵐峰）

你完全可以理解量子信息（7） | 袁嵐峰

你完全可以理解量子信息（8-10）| 袁嵐峰

你完全可以理解量子信息（11-12）| 袁嵐峰

你完全可以理解量子信息（13）| 袁嵐峰

你完全可以理解量子信息（14）| 袁嵐峰

十五、量子密碼術(shù)的工程成果

以上是量子密碼術(shù)的基本原理。為了把這些原理付諸實(shí)踐，還有大量的工程技術(shù)性質(zhì)的問題。

舉個(gè)例子，BB84協(xié)議要求A每次只發(fā)一個(gè)光子。但實(shí)際的單光子光源效率很低，用它會(huì)導(dǎo)致成碼率非常低，比如說幾百年才能生成一個(gè)字節(jié)的密鑰。絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)用的是效率高的激光光源，但激光不是嚴(yán)格的單光子，有一定的幾率在一個(gè)脈沖中出現(xiàn)多個(gè)光子，這就給竊聽者留下了可乘之機(jī)。

原則上，竊聽者E可以在遇到單光子時(shí)攔截下來不讓通過，在遇到多個(gè)光子時(shí)拿走一個(gè)，讓其余的光子通過。通信雙方難以分辨光子的減少是來自竊聽還是來自信道的自然損耗，于是在他們公布a和b序列之后，E就知道了該用什么基組去測量自己偷走的這些光子，然后就可以得到密鑰。這一招叫做“光子數(shù)分離攻擊”。

實(shí)際上，對(duì)經(jīng)典通信竊密的基本思路也是一樣的：從大量的信號(hào)中偷走一部分，讓通信方無法察覺。許多影視作品中有類似這樣的情節(jié)：相距遙遠(yuǎn)的兩地之間的通信是通過一根巨大的光纜實(shí)施的，竊聽者知道這條光纜經(jīng)過某棟建筑，就把這棟建筑租下來，在里面布置設(shè)備，從光纜上分走了一部分信號(hào)。

量子密碼術(shù)之所以要用單光子，妙處正在于此?；仡櫼幌卤疚拈_頭“量子”的概念就能理解，單個(gè)光子已經(jīng)是最小的單元了，所以竊聽者無法只偷一部分。

實(shí)驗(yàn)條件的種種不完美之處，會(huì)給量子密碼術(shù)的安全傳輸距離設(shè)置一個(gè)上限，超過這個(gè)距離就可能泄密。在量子密碼術(shù)最初的實(shí)驗(yàn)中，傳輸距離不到1米。到21世紀(jì)初，安全傳輸距離提高到了10公里的量級(jí)。但由于上述的激光不是單光子的問題，安全傳輸距離無法提高到20公里以上。當(dāng)時(shí)許多科學(xué)家認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)到頭了，對(duì)它失去了興趣。

光子數(shù)分離攻擊

然而，2003-2005年，韓國科學(xué)家黃元瑛（Hwang W. Y.）和中國科學(xué)家王向斌、羅開廣等人想出了一種巧妙的辦法，就是前面提到的“誘騙態(tài)協(xié)議”。激光光源發(fā)射的光子數(shù)有一定的分布，發(fā)射許多光脈沖就相當(dāng)于發(fā)射一些單光子脈沖、一些多光子脈沖和一些零光子脈沖（也就是沒發(fā)）。在脈沖的平均光子數(shù)小于1時(shí)，誘騙態(tài)方法可以使得實(shí)驗(yàn)等效于只用單光子脈沖。對(duì)于量子密碼術(shù)的安全性而言，這相當(dāng)于把實(shí)際的不完美的光源變成了完美的單光子源。

克服了這個(gè)重要障礙以后，量子密碼術(shù)的安全傳輸距離開始迅猛增長，不斷刷新紀(jì)錄。自那以來，大多數(shù)紀(jì)錄都是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的。

對(duì)量子密碼術(shù)的另外一類攻擊是在探測器上，實(shí)際體系中大部分漏洞來自于此。例如，原則上用強(qiáng)激光照射接收器可以將其“致盲”，然后就可以控制它，欺騙通信者。為此，人們又發(fā)明了安全性與測量儀器無關(guān)的量子密鑰分發(fā)技術(shù)。這個(gè)新技術(shù)是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)率先實(shí)現(xiàn)的，被評(píng)為2013年全球物理學(xué)十大進(jìn)展和2014年中國十大科技進(jìn)展之一。

2016年8月16日，墨子號(hào)量子衛(wèi)星上天時(shí)，光纖中的安全傳輸距離已經(jīng)超過了200公里。2016年11月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、濟(jì)南量子技術(shù)研究院等單位合作，又把安全傳輸距離提高到了404公里，而且在102公里處的安全成碼率已經(jīng)足以保證安全的語音通話。也就是說，間隔102公里的量子保密電話已經(jīng)是在技術(shù)上可行的了。

幾百公里的范圍，對(duì)于一個(gè)城市內(nèi)部的通信來說是夠用了，我國確實(shí)在合肥、蕪湖、北京、上海、濟(jì)南等地建設(shè)了實(shí)驗(yàn)性的量子政務(wù)網(wǎng)。但對(duì)于城市之間、國家之間甚至大洲之間的通信，幾百公里的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。也就是說，單憑光纖的話，量子密碼術(shù)就好比以前的“小靈通”，只能在一個(gè)城市內(nèi)部用。要實(shí)現(xiàn)從小靈通到手機(jī)的跨越，還需要另辟蹊徑。

如何在更長的距離上實(shí)現(xiàn)量子保密通信？科學(xué)家們提出了兩條技術(shù)路線。

一條技術(shù)路線是直截了當(dāng)容易想到的，每隔一兩百公里加一個(gè)中繼器。

跟BB84協(xié)議的原理相比，量子密碼中繼器的原理真是簡單到爆。如果你看前者看得云里霧里，請(qǐng)放心，下面這一段你肯定能看懂。

假設(shè)我們有一串節(jié)點(diǎn)，記作1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)……，最后是N號(hào)。先在1號(hào)和2號(hào)之間建立量子通信，產(chǎn)生一個(gè)密鑰，記作k1。然后在2號(hào)和3號(hào)之間建立量子通信，產(chǎn)生一個(gè)密鑰，記作k2。2號(hào)把k1作為待傳輸?shù)拿魑?，用k2對(duì)它加密，傳輸給3號(hào)。3號(hào)同樣把k1傳輸給4號(hào)，4號(hào)把k1傳輸給5號(hào)，……一路把k1傳輸給N號(hào)。最后1號(hào)把真正要傳輸?shù)男畔⒂胟1加密，用任意的通信方式傳給N號(hào)，就完成了。Give me five！

如果你要問，帶中繼的量子密碼術(shù)安全性如何？回答是：這取決于你跟誰比。好比你問，關(guān)羽的武力怎么樣？那么跟呂布比和跟顏良比，答案完全不同。（顏良：我招誰惹誰了？）

跟兩點(diǎn)之間直接連接的量子密碼術(shù)相比，安全性是下降了。因?yàn)楝F(xiàn)在所有的N個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道密鑰k1，你必須守住中間的N-2個(gè)中繼器，任何一個(gè)中繼器被敵方攻破都會(huì)泄密。

但是跟經(jīng)典通信比，安全性還是要高得多。因?yàn)樵诮?jīng)典通信中，漫長的通信線路上每一點(diǎn)都可能泄密，每一點(diǎn)你都要防御，這是個(gè)令人望而生畏的任務(wù)?，F(xiàn)在你只需要防守明確的N-2個(gè)節(jié)點(diǎn)，防線縮短了很多，安全性自然大大提升。

我國已經(jīng)基本建設(shè)好了量子保密通信“京滬干線”，過不久也許你就會(huì)聽到它正式開通的消息。京滬干線實(shí)際做的事情，就是在北京、濟(jì)南、合肥、上海的內(nèi)部量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過幾十個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)把它們連接起來。這樣，就可以在兩千公里的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)量子保密通信。

量子保密通信京滬干線

有趣的是，對(duì)京滬干線最熱心的不是科學(xué)家，而是金融系統(tǒng)的用戶。中國工商銀行等若干金融機(jī)構(gòu)已經(jīng)在試用量子密碼術(shù)了，不過由于安全傳輸距離的限制，只能在一個(gè)城市內(nèi)部使用。如果能在城際使用，對(duì)銀行顯然大有好處，可以開展很多以前不能開展的業(yè)務(wù)。因此，在推動(dòng)京滬干線的建設(shè)上，這些銀行比香港記者跑得還快！

另一條技術(shù)路線，就玩得大了，玩到天上去了：用衛(wèi)星作中繼器。

用衛(wèi)星作中繼器，優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的：比如說衛(wèi)星這個(gè)時(shí)刻在中國上空，下個(gè)時(shí)刻在歐洲上空，那么就可以實(shí)現(xiàn)中國和歐洲之間的量子保密通信。將來建成20顆衛(wèi)星的星座，就可以覆蓋全球。

衛(wèi)星量子通信示意圖

但困難也是顯而易見的：以前光子的傳輸都通過光纖，現(xiàn)在什么介質(zhì)都不用，而且一個(gè)光脈沖只能發(fā)一個(gè)光子，這樣的“自由空間傳輸”能收到信號(hào)嗎？還有，衛(wèi)星跟地面處于高速的相對(duì)運(yùn)動(dòng)之中，把雙方的探測器對(duì)準(zhǔn)，是天地之間的“針尖對(duì)麥芒”，精度相當(dāng)于“在五十公里以外把一枚一角硬幣扔進(jìn)一列全速行駛的高鐵上的一個(gè)礦泉水瓶里”（請(qǐng)一口氣念完這個(gè)句子?。?。以這么高的對(duì)準(zhǔn)精度，接收弱得不能再弱的光信號(hào)（真的不能再弱了，再弱就什么都沒有了），這是多么大的挑戰(zhàn)！

明知山有虎，偏向虎山行。“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星就是做這件事的，而且做成了。

關(guān)于第一個(gè)問題，自由空間傳輸其實(shí)完全是可行的。光子在真空中基本沒有損耗，所以只需要考慮在大氣層中的損耗就行了。而在某些波段，光子穿過10公里厚的大氣層只損耗20%。所以在同樣相距上千公里的情況下，自由空間傳輸?shù)男时裙饫w高得多，前者只有一小部分距離（大氣層）有損耗，后者每一寸光纖都實(shí)打?qū)嵉赜袚p耗。2012年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)就在青海湖的湖心島實(shí)現(xiàn)了百公里級(jí)的雙向量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，驗(yàn)證了量子通信衛(wèi)星的可行性。

青海湖湖心島的百公里級(jí)量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)

關(guān)于第二個(gè)問題，星地對(duì)準(zhǔn)的控制難度雖然高，但也在當(dāng)代技術(shù)的能力范圍之內(nèi)。墨子號(hào)發(fā)射之后，已經(jīng)多次跟地面站實(shí)現(xiàn)了對(duì)準(zhǔn)。星地對(duì)準(zhǔn)不是用生成密鑰的那個(gè)單光子來做的，而是用另外的信標(biāo)光。你不可能看見單光子，因?yàn)檫@個(gè)單光子如果進(jìn)了你的眼睛，就不會(huì)被探測器收到了。你看到的紅色和綠色的光，是信標(biāo)光。

由此，墨子號(hào)出人意料地繁榮了我國的藝術(shù)舞臺(tái)，成就了一場星空攝影師的狂歡。他們通過重疊曝光等手段制作了很多精美的藝術(shù)照片，鼓舞大家仰望星空，治好了許多人的頸椎病。下面這張照片是新華社的記者在興隆站拍攝的，紅光和綠光分別是地面站和衛(wèi)星的信標(biāo)光，背景是群星運(yùn)動(dòng)的軌跡，即“星軌”。藝術(shù)和科技結(jié)合，美不勝收！

星軌背景下墨子號(hào)量子衛(wèi)星與興隆站用信標(biāo)光對(duì)準(zhǔn)

墨子號(hào)是世界第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，科學(xué)目標(biāo)包括三大實(shí)驗(yàn)，即星地之間的量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)和量子糾纏分發(fā)。

2017年6月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、彭承志等人在《科學(xué)》雜志上發(fā)表文章，宣布在國際上率先實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)的星地雙向量子糾纏分發(fā)，并以此為基礎(chǔ)對(duì)量子力學(xué)的基本原理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)（檢驗(yàn)的結(jié)果，自然是“量子力學(xué)還是對(duì)的”）。2017年8月，他們又在《自然》雜志上發(fā)表文章，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)和從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)。至此，墨子號(hào)的三大科學(xué)目標(biāo)提前并圓滿實(shí)現(xiàn)。

量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)示意圖

有了以上的背景知識(shí)，你就可以看明白報(bào)道中的科學(xué)術(shù)語和技術(shù)指標(biāo)了：“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星過境時(shí)，與河北興隆地面光學(xué)站建立光鏈路，通信距離從645公里到1200公里。在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個(gè)數(shù)量級(jí)（萬億億倍）。衛(wèi)星上量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)送4000萬個(gè)信號(hào)光子，一次過軌對(duì)接實(shí)驗(yàn)可生成300 kbit的安全密鑰，平均成碼率可達(dá)1.1 kbps。

最后，無論是哪條技術(shù)路線，地面中繼器還是衛(wèi)星中繼器，都是未來的量子保密互聯(lián)網(wǎng)的重要的基礎(chǔ)設(shè)施，就像通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)一樣。網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)特征之一就是“邊際收益遞增”，即網(wǎng)絡(luò)中已有的用戶越多，新用戶得到的好處就越大。建好基礎(chǔ)設(shè)施，有了足夠多的用戶，用戶的創(chuàng)造性就會(huì)迸發(fā)，奇跡就會(huì)創(chuàng)造出來，這是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一般規(guī)律。

30年前，20年前，甚至10年前，都沒有人預(yù)見到互聯(lián)網(wǎng)今天的樣子，自媒體、網(wǎng)上購物、移動(dòng)支付等創(chuàng)新超越了所有人的想象。可以預(yù)期，這一幕在量子保密網(wǎng)絡(luò)中也將重演。開創(chuàng)量子互聯(lián)網(wǎng)，將是中國對(duì)世界的重大貢獻(xiàn)。

（未完待續(xù)）

背景簡介：本文作者為袁嵐峰，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)博士，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室副研究員，科技與戰(zhàn)略風(fēng)云學(xué)會(huì)會(huì)長。