近日，知名學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》在線發(fā)表了來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的一項(xiàng)研究成果。中科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)的韓正甫教授及其合作者，近期實(shí)現(xiàn)了833公里光纖量子密鑰分發(fā)，將量子密鑰分發(fā)安全傳輸距離世界紀(jì)錄提升了200余公里，向?qū)崿F(xiàn)千公里陸基量子保密通信邁出重要一步。

量子密鑰分發(fā)基于量子物理的基本原理，在信息安全層面上提供了竊聽(tīng)可感知的密鑰分發(fā)手段。如何延長(zhǎng)光量子密鑰分發(fā)直接傳輸?shù)陌踩嚯x，是當(dāng)前極具挑戰(zhàn)的難點(diǎn)和焦點(diǎn)之一。

什么是量子保密通信？為什么要提高量子通信的傳輸距離？量子通信技術(shù)有何作用，可以應(yīng)用于日常生活中嗎？

什么是量子通信？量子密鑰在量子通信中起著何種作用？

日常生活中的通信是把人所看到的圖像轉(zhuǎn)變成電信號(hào)或是光信號(hào)，通過(guò)光纜或者電纜將電信號(hào)或光信號(hào)傳至接收信號(hào)的遠(yuǎn)方，之后利用一個(gè)測(cè)量裝備，再把電信號(hào)和光信號(hào)轉(zhuǎn)變成聲音與圖像。

在物理學(xué)領(lǐng)域，學(xué)者們用物理量來(lái)代表信息。這個(gè)物理量可以被反復(fù)測(cè)量，每次測(cè)量出來(lái)的物理量都是一致的，即每次讀出來(lái)的信息都一樣。

量子通信則是把傳統(tǒng)通信的物理量換成量子力學(xué)領(lǐng)域里獨(dú)有的量子態(tài)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院、中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的韓正甫教授表示，量子態(tài)不是常規(guī)的物理量，典型特征是測(cè)不準(zhǔn)，量子態(tài)每被測(cè)量一次都會(huì)產(chǎn)生變化，導(dǎo)致測(cè)量出來(lái)的結(jié)果不盡相同，無(wú)法確保得到的結(jié)果是我們想要的結(jié)果，但是合法的兩個(gè)通信者能夠通過(guò)協(xié)議得到確定的信息，因此利用量子態(tài)來(lái)代表信息可以有效防止信息被竊聽(tīng)。

量子密鑰是量子通信中保證通信過(guò)程不被人竊聽(tīng)的核心。

量子密鑰是一組隨機(jī)數(shù)。通信的雙方會(huì)共享一組一樣的量子密鑰。之后用隨機(jī)數(shù)跟通訊內(nèi)容做一個(gè)變換，使通訊內(nèi)容成為亂數(shù)。合法的通信者事先已經(jīng)共享了密鑰，因此合法接收者收到亂數(shù)之后可以利用密鑰做反向變化，將信息從亂數(shù)中提取出來(lái)。而竊聽(tīng)者由于沒(méi)有密鑰，得到的只是一堆亂數(shù)，無(wú)法獲得有效信息。

為何要提高量子密鑰分發(fā)距離？如何提高量子密鑰分發(fā)距離？

與傳統(tǒng)通訊相比，量子通信的優(yōu)勢(shì)在于安全性，但是它也有一個(gè)弱點(diǎn)，隨著傳輸距離增長(zhǎng)，量子通信的傳輸速度會(huì)逐漸降低，一旦傳輸速度接近于0，傳輸無(wú)效。傳輸距離是量子通信領(lǐng)域中一個(gè)非常重要的指標(biāo)，通過(guò)各種手段提升該指標(biāo)是國(guó)際各國(guó)在量子通信領(lǐng)域爭(zhēng)奪的重要方向。

國(guó)外目前量子通信最長(zhǎng)傳輸距離是605公里，但605公里其實(shí)并不是真實(shí)的傳輸距離，其中的100多公里是用模擬的辦法做出來(lái)的，單就傳輸距離而言，我國(guó)量子通信的傳輸距離比世界紀(jì)錄多出300多公里。

不論是經(jīng)典信號(hào)還是量子信號(hào)，信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中都會(huì)隨著傳輸距離的增長(zhǎng)而衰減。如果信號(hào)衰減到測(cè)量手段的極限以下，則無(wú)法通過(guò)測(cè)量得到信息，傳輸無(wú)效。測(cè)量的極限由噪聲決定，如果信號(hào)比噪聲小，測(cè)量得到的主要就是噪聲而非信號(hào)。因此提升信噪比成為增加傳輸距離的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)和技術(shù)指標(biāo)。

提升信噪比主要有兩種手段。第一種是讓兩邊的傳輸信號(hào)保持高度一致，在傳輸過(guò)程中利用反饋控制等手段抑制噪聲，提高信噪比。光纖傳輸路徑中所耦合進(jìn)來(lái)的各種干擾也在很大程度上影響信噪比。因此第二種手段就是將干擾屏蔽在信號(hào)以外，或是只產(chǎn)生絕對(duì)的干擾，不產(chǎn)生相對(duì)的干擾，這樣就能得到更高的信噪比。

量子保密通信對(duì)我們有什么意義？

量子保密通信的重點(diǎn)不在于“量子”，而在于“保密”。

從國(guó)家層面來(lái)說(shuō)，量子保密通信技術(shù)的發(fā)展可以提高國(guó)家的信息安全水平。但量子通信技術(shù)目前在民間并沒(méi)有大范圍普及應(yīng)用。全國(guó)性的量子通信網(wǎng)絡(luò)尚未建立，相關(guān)的消費(fèi)成本也十分高昂，無(wú)法提供人對(duì)人的產(chǎn)品和服務(wù)。量子通信技術(shù)出現(xiàn)后如何應(yīng)用于公民的日常生活，這一問(wèn)題目前還屬于探索階段，量子通信技術(shù)的日常應(yīng)用也尚未得到市場(chǎng)的完全加持。

韓正甫表示，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有許多廠家在生產(chǎn)量子通信的設(shè)備。雖然目前還沒(méi)達(dá)到全民普及量子通信技術(shù)的程度，但量子通信技術(shù)的儲(chǔ)備是必要的，未來(lái)若有機(jī)會(huì)大規(guī)模鋪展該技術(shù)，我國(guó)也能夠提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。