量子通信助力信息安全保密

作為新一代通信技術，量子通信基于量子信息傳輸的高效和絕對安全性，被認為可能是下一代IT技術的支撐性研究，也成為近年來國際科研競爭中的焦點領域之一。量子通信不僅可以用于軍事、國防等領域的保密通信，還可以用于涉及秘密數據傳輸的各類組織和機構，包括政府、金融、電信、保險、財政等領域和部門，未來應用前景非常廣闊。本期，我們邀請國防大學周德旺教授，圍繞量子通信技術的國際發展格局和對我國未來相關產業的影響進行介紹。

 

---

 

信息的安全傳輸是人類千百年來的夢想之一。傳統的信息傳輸易被竊取，保障信息安全的方法通常是加密傳輸。然而，隨著超算、破譯等技術的快速發展，信息傳遞難以做到絕對安全保密。20世紀90年代，量子通信技術及其系統的問世，重新燃起了人們對打造絕對安全的保密通信系統的希望。

 

量子通信具有天然技術優勢

2016年8月16日，世界上第一顆量子科學實驗衛星“墨子號”成功發射，這是我國在世界上首次實現衛星和地面之間的量子通信，構建了天地一體的量子保密通信與科學實驗體系�！澳�子號”衛星開啟了全球化量子通信、空間量子物理學和量子引力試驗的大門，使我國搶占了量子科技創新的制高點，并成為此領域國際同行的佼佼者，實現了從“跟跑者”到“并跑者”再到“領跑者”角色的華麗轉變。隨著“墨子號”衛星正式交付中國科技大學、中科院等單位使用，引發了人們對量子通信技術研究的極大熱潮。

20世紀90年代以來，歐、美、日等國家和地區競相研發量子通信技術，紛紛投入大量人力物力財力，逐步從理論走向實驗應用，并加速實現產業化發展。目前，量子通信技術在國際上走在前列的主要有中國、美國和歐洲，歐洲在理論研究方面遙遙領先，中國則在產業應用方面走在前列，并率先建立多個城際量子通信干線網。

量子通信，是指利用量子比特作為信息載體來傳輸信息的通信技術，它是利用量子力學基本原理和量子糾纏現象達到傳遞信息、傳輸數據的一種先進通信技術。量子保密通信技術提供了迄今為止唯一高度安全的通信保密方式，突破了傳統信息技術的安全保密和信息容量極限。量子通信在應用方面主要是通過光纖實現短距離的通信，通過量子中繼器實現較遠距離的通信，通過衛星中轉實現可覆蓋全球的遠距離的通信。

相較于傳統通信技術而言，量子通信有著無可比擬的技術優勢，其安全性源于量子力學的基本原理。量子力學中的海森堡測不準定理、未知量子態不可克隆定理和非正交量子態不可區分定理，從理論上確保了量子通信過程中的任何竊聽行為都必將被檢測到。量子通信技術具有3大優點:一是理論上絕對安全保密。量子通信利用單光子量子態不可克隆特性，使得量子信道上任何的監聽或復制行為都會被偵測到，無法改變或破壞量子態原始狀態，因此，理論上量子通信可實現“絕對安全保密”。二是超光速傳輸。量子糾纏理論使得雙方量子之間存在“心靈感應”，雙方會隨著彼此改變而瞬間變化，信息傳輸時延幾乎為零，從而實現超光速傳輸通信。三是超空間通信。量子通信不需要借助任何傳輸媒介，不受任何障礙阻隔，不受距離遠近的限制，可以實現“超空間”通信，這種特性使它能夠實現人類與太空、深海、極地等空間領域的自由通信。

 

 

 

量子技術發展的

國際競爭格局初顯

目前，除中國外，歐洲、美國及日本等國家和地區都在進行量子通信技術的研究和實用，并取得了巨大成果，推動了量子通信技術的飛速發展。

歐洲。歐洲在量子通信理論奠基方面做出了巨大貢獻，量子保密通信的物理基礎正是德國物理學家海森堡發現的測不準定理。早在20世紀90年代，歐洲就意識到量子信息處理和通信技術的巨大潛力，從歐盟第五研發框架計劃開始，就持續對歐洲乃至全球的量子通信研究給予重點支持。從1993年至2012年，歐盟量子遠程傳輸距離從10公里光纖傳輸拓展到143公里的隱形傳輸。2008年歐盟還發布了《量子信息處理與通信戰略報告》，提出了歐洲在未來5年和10年的量子通信發展目標，包括實現地面量子通信網絡、星地量子通信、空地一體的千公里級量子通信網絡等。從2007年至2014年，歐盟開始致力于量子密碼通信和量子編碼研究，實現了量子漫步、太空和地球之間的信息傳輸，為衛星之間以及衛星與地面站之間進行量子通信提供了可能性。2016年3月，歐盟委員會發布了《量子宣言》，稱將在2018年啟動一項10億歐元的量子技術旗艦項目。其中，在量子通信方面，規劃5年內突破量子中繼器核心技術，實現點對點安全量子通信，10年內實現遠距離量子網絡、量子信用卡應用等，旨在“保衛歐洲互聯網安全”。

美國。美國將量子技術作為“六大科研前沿”之一，認為人類正站在下一代量子革命的門檻上，量子通信正在導致革命性變革，必須加大投入力度進行交叉學科研究。美國20世紀末就將量子通信列入國家戰略和國防安全的研發計劃，同時，美國國家標準技術研究院也將量子信息作為3個重點研究方向之一。美國國防部高級研究計劃局也啟動了多項量子通信相關研究計劃，旨在將其應用于軍事作戰領域。1989年，美國IBM公司在實驗室中以10 bit/s的傳輸速率成功實現了世界上第一個量子信息傳輸，拉開了量子通信研究的序幕。2000年，洛斯·阿莫斯國家實驗室宣布在全日照條件下實現了1.6公里自由空間的量子密鑰分發，使量子通信向實用化邁進一大步。2003年，美國國防部高級研究計劃局又領銜建設了量子通信技術試驗網絡。2006年，洛斯·阿莫斯國家實驗室基于誘騙態方案實現了能保證絕對安全的107公里光纖量子通信實驗。2013年，該實驗室公布了一種基于量子通信技術的量子互聯網，并宣稱他們解決了量子系統的可伸縮問題，可以使用較廉價的硬件實現量子密鑰分發。此外，美國Google、IBM、微軟公司也都投入力量研究量子通信技術，以量子計算機研究為突破點，延伸至物質科學、生命科學、能源科學領域。2015年12月，Google公司推出的D—Wave量子計算機，在解決問題時能夠比其他任何計算機快出1億倍；2017年3月，IBM公司宣布推出全球第一個商業化量子計算云服務IBM Q，可高效處理傳統電腦無法解決的復雜計算問題。

日本。日本對量子通信技術的研究起步較晚但發展迅速，其主要研究極限容量廣域光纖與自由空間量子保密通信網絡。2004年，日本研究人員用防盜量子密碼技術傳送信息獲得成功，傳遞距離可達87公里。同年，日本電氣股份有限公司改進單光子探測器信噪比，使得量子密碼傳輸距離達到150公里。2007年，日本研究團體開發的量子密鑰技術，實現了信息經光纖的安全傳輸。2008年，日本東芝公司研究人員在量子密碼通信中將密鑰的傳輸速度成功提高，使其更加實用化。2016年，日本研究團隊聯合開發了世界最高水準的大容量光通信系統，該系統首次融合量子噪聲保密和量子密鑰分發技術，以100 GT/s的傳輸速度成功實現了100公里的單信道量子通信傳輸，有望實現抵抗網絡攻擊的極強安全通信。日本國立信息通信研究院計劃在2020年實現量子中繼技術，到2040年建成極限容量、無條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網絡。

 

量子保密通信

助力國家信息產業發展

量子通信具有保密性強、魯棒性高、速率快、容量大、遠距離傳輸等優點，這些特征決定了量子通信具有無法估量的應用前景。目前，量子通信已在政務、國防、金融、公安等重要領域凸顯巨大應用價值。量子通信技術與現有網絡的融合是當前主要發展方向，未來還會應用于專網、公眾網、云安全等諸多領域。

量子通信主干網提升國家安全。2013年，國家批準立項的量子保密通信“京滬干線”，由國家發改委立項、中國科學技術大學承建，已于2017年8月完成全網技術驗收。該干線連接北京、上海兩地，全長2000多公里，是世界上首條量子保密主干網，可以實現高清量子保密視頻會議系統和其他多媒體跨域互聯應用，將大幅提高我國政務、能源、金融、交通等領域系統的通信安全性。針對我國發射的“墨子號”量子通信衛星，美國“大眾科學”網站認為，在全球電子監控和網絡竊密時代，世界各國都在尋找任何可能的辦法來保護通信安全，中國啟動了可將信息量子化并傳入太空的項目，在一定程度上使得中國的信息網絡牢不可破，抵擋任何入侵企圖。

量子通信提升軍事通信網絡安全。“棱鏡”事件的發生，給我國防通信網絡安全帶來了嚴峻挑戰，對量子加密的探索有可能解決我國的信息安全問題。量子通信能夠用于通信密鑰生成與分發系統，構成作戰區域內機動的安全通信網絡；能夠用于光網信息保密傳輸，以此提高信息保護和信息對抗能力；還能夠應用于深海安全通信，為遠洋深海安全通信開辟嶄新途徑和目標，提升軍隊保密打贏能力。此外，在破解量子通信復雜的加密算法上，現有計算機系統需要幾萬年的時間，在現實中沒有任何實用價值，但是量子計算機卻能在幾分鐘內將傳統的加密算法破解。因此，以往的密碼體制將處于危險之中，唯有量子通信技術能夠抵御這種破解和威脅，為提升未來我國防信息網絡安全提供了堅實屏障。

量子通信體系將改變傳統的技術產業形態。量子通信開創了通信和保密領域新的發展方向，這無疑會對傳統的通信和保密模式產生巨大沖擊。由于在速度、容量、抗干擾等方面所具有的獨特優勢，量子通信模式將會徹底顛覆傳統的電纜、光纜、衛星等通信方式，對現有已經布設的國家和軍事信息網絡體系產生沖擊。由于在安全保密方面的優勢，量子通信將徹底顛覆傳統的網絡安全公司，使現有各類基于傳統通信和運用的網絡安全保密體系全部落后，從而可能會導致整個信息安全產業洗牌。但是，由于量子通信的信息保密技術應用目前大部分還停留在理論層面，未來是否有更為強大的破譯方式還難以預估，因此，量子通信技術的發展反過來也會促進更加先進的破譯技術的發展。

正像“墨子號”量子科學實驗衛星首席科學家潘建偉院士所說的那樣：歷史經驗表明，再好的加密技術都可能隨著攻擊者能力的提高遭到破解，國家和大眾的信息安全每天都面臨著風險。但量子通信從原理上具有不可破解、不可竊聽的特性，因而是更安全的信息傳輸方式。

當前，量子通信技術已從科學研究進入實驗應用，隨著其技術體系的不斷完善成熟，未來將進一步向規模化商用方向發展，量子通信的高保密性也決定了其在軍事通信以及金融、交通、能源等方面的巨大應用前景。

 

（原載于《保密工作》2018年第8期）