量子通信助力信息安全保密
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作為新一代通信技術(shù)，量子通信基于量子信息傳輸?shù)母咝Ш徒^對(duì)安全性，被認(rèn)為可能是下一代IT技術(shù)的支撐性研究，也成為近年來(lái)國(guó)際科研競(jìng)爭(zhēng)中的焦點(diǎn)領(lǐng)域之一。量子通信不僅可以用于軍事、國(guó)防等領(lǐng)域的保密通信，還可以用于涉及秘密數(shù)據(jù)傳輸?shù)母黝?lèi)組織和機(jī)構(gòu)，包括政府、金融、電信、保險(xiǎn)、財(cái)政等領(lǐng)域和部門(mén)，未來(lái)應(yīng)用前景非常廣闊。本期，我們邀請(qǐng)國(guó)防大學(xué)周德旺教授，圍繞量子通信技術(shù)的國(guó)際發(fā)展格局和對(duì)我國(guó)未來(lái)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的影響進(jìn)行介紹。
信息的安全傳輸是人類(lèi)千百年來(lái)的夢(mèng)想之一。傳統(tǒng)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(shù)的快速發(fā)展，信息傳遞難以做到絕對(duì)安全保密。20世紀(jì)90年代，量子通信技術(shù)及其系統(tǒng)的問(wèn)世，重新燃起了人們對(duì)打造絕對(duì)安全的保密通信系統(tǒng)的希望。
量子通信具有天然技術(shù)優(yōu)勢(shì)
2016年8月16日，世界上第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”成功發(fā)射，這是我國(guó)在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，構(gòu)建了天地一體的量子保密通信與科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系。“墨子號(hào)”衛(wèi)星開(kāi)啟了全球化量子通信、空間量子物理學(xué)和量子引力試驗(yàn)的大門(mén)，使我國(guó)搶占了量子科技創(chuàng)新的制高點(diǎn)，并成為此領(lǐng)域國(guó)際同行的佼佼者，實(shí)現(xiàn)了從“跟跑者”到“并跑者”再到“領(lǐng)跑者”角色的華麗轉(zhuǎn)變。隨著“墨子號(hào)”衛(wèi)星正式交付中國(guó)科技大學(xué)、中科院等單位使用，引發(fā)了人們對(duì)量子通信技術(shù)研究的極大熱潮。
20世紀(jì)90年代以來(lái)，歐、美、日等國(guó)家和地區(qū)競(jìng)相研發(fā)量子通信技術(shù)，紛紛投入大量人力物力財(cái)力，逐步從理論走向?qū)嶒?yàn)應(yīng)用，并加速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。目前，量子通信技術(shù)在國(guó)際上走在前列的主要有中國(guó)、美國(guó)和歐洲，歐洲在理論研究方面遙遙領(lǐng)先，中國(guó)則在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面走在前列，并率先建立多個(gè)城際量子通信干線網(wǎng)。
量子通信，是指利用量子比特作為信息載體來(lái)傳輸信息的通信技術(shù)，它是利用量子力學(xué)基本原理和量子糾纏現(xiàn)象達(dá)到傳遞信息、傳輸數(shù)據(jù)的一種先進(jìn)通信技術(shù)。量子保密通信技術(shù)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(tǒng)信息技術(shù)的安全保密和信息容量極限。量子通信在應(yīng)用方面主要是通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)短距離的通信，通過(guò)量子中繼器實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的通信，通過(guò)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)可覆蓋全球的遠(yuǎn)距離的通信。
相較于傳統(tǒng)通信技術(shù)而言，量子通信有著無(wú)可比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其安全性源于量子力學(xué)的基本原理。量子力學(xué)中的海森堡測(cè)不準(zhǔn)定理、未知量子態(tài)不可克隆定理和非正交量子態(tài)不可區(qū)分定理，從理論上確保了量子通信過(guò)程中的任何竊聽(tīng)行為都必將被檢測(cè)到。量子通信技術(shù)具有3大優(yōu)點(diǎn):一是理論上絕對(duì)安全保密。量子通信利用單光子量子態(tài)不可克隆特性，使得量子信道上任何的監(jiān)聽(tīng)或復(fù)制行為都會(huì)被偵測(cè)到，無(wú)法改變或破壞量子態(tài)原始狀態(tài)，因此，理論上量子通信可實(shí)現(xiàn)“絕對(duì)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(yīng)”，雙方會(huì)隨著彼此改變而瞬間變化，信息傳輸時(shí)延幾乎為零，從而實(shí)現(xiàn)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(yuǎn)近的限制，可以實(shí)現(xiàn)“超空間”通信，這種特性使它能夠?qū)崿F(xiàn)人類(lèi)與太空、深海、極地等空間領(lǐng)域的自由通信。
量子技術(shù)發(fā)展的
國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)格局初顯
目前，除中國(guó)外，歐洲、美國(guó)及日本等國(guó)家和地區(qū)都在進(jìn)行量子通信技術(shù)的研究和實(shí)用，并取得了巨大成果，推動(dòng)了量子通信技術(shù)的飛速發(fā)展。
歐洲。歐洲在量子通信理論奠基方面做出了巨大貢獻(xiàn)，量子保密通信的物理基礎(chǔ)正是德國(guó)物理學(xué)家海森堡發(fā)現(xiàn)的測(cè)不準(zhǔn)定理。早在20世紀(jì)90年代，歐洲就意識(shí)到量子信息處理和通信技術(shù)的巨大潛力，從歐盟第五研發(fā)框架計(jì)劃開(kāi)始，就持續(xù)對(duì)歐洲乃至全球的量子通信研究給予重點(diǎn)支持。從1993年至2012年，歐盟量子遠(yuǎn)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(fā)布了《量子信息處理與通信戰(zhàn)略報(bào)告》，提出了歐洲在未來(lái)5年和10年的量子通信發(fā)展目標(biāo)，包括實(shí)現(xiàn)地面量子通信網(wǎng)絡(luò)、星地量子通信、空地一體的千公里級(jí)量子通信網(wǎng)絡(luò)等。從2007年至2014年，歐盟開(kāi)始致力于量子密碼通信和量子編碼研究，實(shí)現(xiàn)了量子漫步、太空和地球之間的信息傳輸，為衛(wèi)星之間以及衛(wèi)星與地面站之間進(jìn)行量子通信提供了可能性。2016年3月，歐盟委員會(huì)發(fā)布了《量子宣言》，稱將在2018年啟動(dòng)一項(xiàng)10億歐元的量子技術(shù)旗艦項(xiàng)目。其中，在量子通信方面，規(guī)劃5年內(nèi)突破量子中繼器核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)安全量子通信，10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)、量子信用卡應(yīng)用等，旨在“保衛(wèi)歐洲互聯(lián)網(wǎng)安全”。
美國(guó)。美國(guó)將量子技術(shù)作為“六大科研前沿”之一，認(rèn)為人類(lèi)正站在下一代量子革命的門(mén)檻上，量子通信正在導(dǎo)致革命性變革，必須加大投入力度進(jìn)行交叉學(xué)科研究。美國(guó)20世紀(jì)末就將量子通信列入國(guó)家戰(zhàn)略和國(guó)防安全的研發(fā)計(jì)劃，同時(shí)，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院也將量子信息作為3個(gè)重點(diǎn)研究方向之一。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局也啟動(dòng)了多項(xiàng)量子通信相關(guān)研究計(jì)劃，旨在將其應(yīng)用于軍事作戰(zhàn)領(lǐng)域。1989年，美國(guó)IBM公司在實(shí)驗(yàn)室中以10 bit/s的傳輸速率成功實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)量子信息傳輸，拉開(kāi)了量子通信研究的序幕。2000年，洛斯·阿莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室宣布在全日照條件下實(shí)現(xiàn)了1.6公里自由空間的量子密鑰分發(fā)，使量子通信向?qū)嵱没~進(jìn)一大步。2003年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局又領(lǐng)銜建設(shè)了量子通信技術(shù)試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。2006年，洛斯·阿莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室基于誘騙態(tài)方案實(shí)現(xiàn)了能保證絕對(duì)安全的107公里光纖量子通信實(shí)驗(yàn)。2013年，該實(shí)驗(yàn)室公布了一種基于量子通信技術(shù)的量子互聯(lián)網(wǎng)，并宣稱他們解決了量子系統(tǒng)的可伸縮問(wèn)題，可以使用較廉價(jià)的硬件實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)。此外，美國(guó)Google、IBM、微軟公司也都投入力量研究量子通信技術(shù)，以量子計(jì)算機(jī)研究為突破點(diǎn)，延伸至物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、能源科學(xué)領(lǐng)域。2015年12月，Google公司推出的D—Wave量子計(jì)算機(jī)，在解決問(wèn)題時(shí)能夠比其他任何計(jì)算機(jī)快出1億倍；2017年3月，IBM公司宣布推出全球第一個(gè)商業(yè)化量子計(jì)算云服務(wù)IBM Q，可高效處理傳統(tǒng)電腦無(wú)法解決的復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題。
日本。日本對(duì)量子通信技術(shù)的研究起步較晚但發(fā)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(wǎng)絡(luò)。2004年，日本研究人員用防盜量子密碼技術(shù)傳送信息獲得成功，傳遞距離可達(dá)87公里。同年，日本電氣股份有限公司改進(jìn)單光子探測(cè)器信噪比，使得量子密碼傳輸距離達(dá)到150公里。2007年，日本研究團(tuán)體開(kāi)發(fā)的量子密鑰技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了信息經(jīng)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(shí)用化。2016年，日本研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了世界最高水準(zhǔn)的大容量光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)首次融合量子噪聲保密和量子密鑰分發(fā)技術(shù)，以100 GT/s的傳輸速度成功實(shí)現(xiàn)了100公里的單信道量子通信傳輸，有望實(shí)現(xiàn)抵抗網(wǎng)絡(luò)攻擊的極強(qiáng)安全通信。日本國(guó)立信息通信研究院計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)量子中繼技術(shù)，到2040年建成極限容量、無(wú)條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網(wǎng)絡(luò)。
量子保密通信
助力國(guó)家信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展
量子通信具有保密性強(qiáng)、魯棒性高、速率快、容量大、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，這些特征決定了量子通信具有無(wú)法估量的應(yīng)用前景。目前，量子通信已在政務(wù)、國(guó)防、金融、公安等重要領(lǐng)域凸顯巨大應(yīng)用價(jià)值。量子通信技術(shù)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的融合是當(dāng)前主要發(fā)展方向，未來(lái)還會(huì)應(yīng)用于專(zhuān)網(wǎng)、公眾網(wǎng)、云安全等諸多領(lǐng)域。
量子通信主干網(wǎng)提升國(guó)家安全。2013年，國(guó)家批準(zhǔn)立項(xiàng)的量子保密通信“京滬干線”，由國(guó)家發(fā)改委立項(xiàng)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)承建，已于2017年8月完成全網(wǎng)技術(shù)驗(yàn)收。該干線連接北京、上海兩地，全長(zhǎng)2000多公里，是世界上首條量子保密主干網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)高清量子保密視頻會(huì)議系統(tǒng)和其他多媒體跨域互聯(lián)應(yīng)用，將大幅提高我國(guó)政務(wù)、能源、金融、交通等領(lǐng)域系統(tǒng)的通信安全性。針對(duì)我國(guó)發(fā)射的“墨子號(hào)”量子通信衛(wèi)星，美國(guó)“大眾科學(xué)”網(wǎng)站認(rèn)為，在全球電子監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)竊密時(shí)代，世界各國(guó)都在尋找任何可能的辦法來(lái)保護(hù)通信安全，中國(guó)啟動(dòng)了可將信息量子化并傳入太空的項(xiàng)目，在一定程度上使得中國(guó)的信息網(wǎng)絡(luò)牢不可破，抵擋任何入侵企圖。
量子通信提升軍事通信網(wǎng)絡(luò)安全。“棱鏡”事件的發(fā)生，給我國(guó)防通信網(wǎng)絡(luò)安全帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，對(duì)量子加密的探索有可能解決我國(guó)的信息安全問(wèn)題。量子通信能夠用于通信密鑰生成與分發(fā)系統(tǒng)，構(gòu)成作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)機(jī)動(dòng)的安全通信網(wǎng)絡(luò)；能夠用于光網(wǎng)信息保密傳輸，以此提高信息保護(hù)和信息對(duì)抗能力；還能夠應(yīng)用于深海安全通信，為遠(yuǎn)洋深海安全通信開(kāi)辟嶄新途徑和目標(biāo)，提升軍隊(duì)保密打贏能力。此外，在破解量子通信復(fù)雜的加密算法上，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要幾萬(wàn)年的時(shí)間，在現(xiàn)實(shí)中沒(méi)有任何實(shí)用價(jià)值，但是量子計(jì)算機(jī)卻能在幾分鐘內(nèi)將傳統(tǒng)的加密算法破解。因此，以往的密碼體制將處于危險(xiǎn)之中，唯有量子通信技術(shù)能夠抵御這種破解和威脅，為提升未來(lái)我國(guó)防信息網(wǎng)絡(luò)安全提供了堅(jiān)實(shí)屏障。
量子通信體系將改變傳統(tǒng)的技術(shù)產(chǎn)業(yè)形態(tài)。量子通信開(kāi)創(chuàng)了通信和保密領(lǐng)域新的發(fā)展方向，這無(wú)疑會(huì)對(duì)傳統(tǒng)的通信和保密模式產(chǎn)生巨大沖擊。由于在速度、容量、抗干擾等方面所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，量子通信模式將會(huì)徹底顛覆傳統(tǒng)的電纜、光纜、衛(wèi)星等通信方式，對(duì)現(xiàn)有已經(jīng)布設(shè)的國(guó)家和軍事信息網(wǎng)絡(luò)體系產(chǎn)生沖擊。由于在安全保密方面的優(yōu)勢(shì)，量子通信將徹底顛覆傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全公司，使現(xiàn)有各類(lèi)基于傳統(tǒng)通信和運(yùn)用的網(wǎng)絡(luò)安全保密體系全部落后，從而可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)信息安全產(chǎn)業(yè)洗牌。但是，由于量子通信的信息保密技術(shù)應(yīng)用目前大部分還停留在理論層面，未來(lái)是否有更為強(qiáng)大的破譯方式還難以預(yù)估，因此，量子通信技術(shù)的發(fā)展反過(guò)來(lái)也會(huì)促進(jìn)更加先進(jìn)的破譯技術(shù)的發(fā)展。
正像“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士所說(shuō)的那樣：歷史經(jīng)驗(yàn)表明，再好的加密技術(shù)都可能隨著攻擊者能力的提高遭到破解，國(guó)家和大眾的信息安全每天都面臨著風(fēng)險(xiǎn)。但量子通信從原理上具有不可破解、不可竊聽(tīng)的特性，因而是更安全的信息傳輸方式。
當(dāng)前，量子通信技術(shù)已從科學(xué)研究進(jìn)入實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，隨著其技術(shù)體系的不斷完善成熟，未來(lái)將進(jìn)一步向規(guī)�；逃梅较虬l(fā)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(yīng)用前景。
（原載于《保密工作》2018年第8期）
