跨越4600公里，中國量子通信全球領先，歐美多久才能追上？ | 袁嵐峯_風聞

導讀

　　跟歐美的計劃相比，就能看出中國的領先程度。中國領先歐盟3至5年，領先美國5至8年。

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　　西瓜視頻：

　　https://www.ixigua.com/6919775175701594637

　　本視頻發佈於2021年1月20日，播放量已超六百萬

　　精彩呈現：

　　最近許多媒體報道，2021年1月7日凌晨，中國科學技術大學宣佈建成“跨越4600公里的天地一體化量子通信網絡”。

　　中科大凌晨宣佈：我國構建全球首個星地量子通信網

　　（https://c.m.163.com/news/a/FVNP5ELC04079BLH.html）

　　大多數人看到這新聞，第一反應可能是：為什麼要凌晨宣佈？什麼事這麼緊急？第二反應可能是：這麼長一串高大上的詞連在一起，究竟是什麼意思？

　　實際上，這完全不是個緊急事件。所謂凌晨宣佈，只是因為論文1月7日凌晨在國際頂級期刊《自然》上發佈而已。

　　科大主頁的報道：中國科大成功驗證構建天地一體化量子通信網絡的可行性（http://news.ustc.edu.cn/info/1055/73813.htm）

　　《自然》是英國的期刊，跟中國有時差，所以會凌晨上線。

　　《Nature》論文《跨越4600公里的天地一體化量子通信網絡》

　　（https://www.nature.com/articles/s41586-020-03093-8）

　　真正有意思的，是這篇論文。我解讀過不少科學論文，絕大多數都是最新的研究成果，需要搶時間發佈。但這篇並不是，它是一個過去幾年工作的總結。一個不需要搶時間的成果，被媒體宣傳得好像十萬火急似的，真是非常具有娛樂性。

　　言歸正傳。在科學和工程上，這項成果十分重要，它相當於一錘定音：廣域量子保密通信技術在實際應用中的條件已初步成熟，為未來覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了科學與技術基礎。在這個領域，中國遙遙領先其他國家。

　　大多數人可能不瞭解什麼是量子保密通信，我來簡略地介紹一下。

　　從古至今，人們提出了許多密碼體系。但沒有一個在原理上能保證安全的，直到量子保密通信的出現。

　　這是因為，傳統的密碼總是需要信使去送密碼本。《紅燈記》、《潛伏》等諜戰片裏的情報員就是幹這個的，密碼本的專業稱呼叫做密鑰。信使如果被抓，或者叛變，損失就非常巨大。

　　《紅燈記》

　　後來，密碼學家們發明了一種聰明的辦法，不需要人去送密鑰，而是用數學難題去加密。竊密變成了一種數學挑戰賽，如果你能解出這道數學難題，你就可以竊密。但是密碼學家相信這道題非常難，你在正常的時間裏解不出來，所以可以保密。

　　公鑰密碼體制（如RSA）以數學難題（如因數分解）作為保密的基礎

　　然而，這種方法的缺點也是顯而易見的。你怎麼知道敵人破解不了呢？如果他破解了，難道他會告訴你嗎？

　　事實上，歷史上有很多被認為不可破解的密碼都被破解了。一個經典的例子，就是二戰時盟軍破解德國的密碼體系“奇謎”（Enigma）的故事。

　　閃電戰創始人古德里安在指揮車上，左下方是Enigma密碼機

　　計算機科學之父、著名數學家阿蘭·圖靈（Alan Mathison Turing，1912 -1954）就參與了這項工作，發揮了重要作用。英國政府估計，破解奇謎把二戰的結束提前了兩年。為了把德國人矇在鼓裏，盟軍有時甚至會故意讓一些部隊去送死。所以直到戰敗，德國都沒有發現自己的密碼被破解了。

　　阿蘭·圖靈

　　因此，以前的密碼總是處於這樣的兩難境地，或者可能信使被抓住，或者可能數學被破解。而量子保密通信就是獨闢蹊徑，提出了一種既不需要信使、也不依賴於數學難題的保密方法。

　　由於篇幅限制，在這裏我不能介紹量子保密通信的具體過程。我只能告訴大家，這是一套技術含量非常高的做法，你要理解它就必須懂得量子力學。

　　有些人希望用某種腦筋急轉彎的方式描述它，發明了種種簡單的説法。我只能説，這些説法都是錯的，這絕不是腦筋急轉彎能描述的。要理解量子保密通信具體是怎麼做的，你必須去看專業的教科書，或者看我的文章也能理解個八九不離十（你完全可以理解量子信息（14）| 袁嵐峯）。

　　量子保密通信的專業名稱：量子密鑰分發

　　然而，我可以告訴大家量子保密通信的原理與效果。

　　首先，有一個基礎的物理學理論叫做量子力學（讓中央集體學習的量子科技究竟是啥？這個科普我已經做了五年（一）量子是什麼 | 袁嵐峯）。它是當今物理學的兩大支柱之一，另一個是相對論。量子力學是對微觀世界的本質描述。

　　然後，量子力學中有一些特徵能夠被信息科學利用。主要有三點：疊加、測量與糾纏。我把它們稱為“三大奧義” （讓中央集體學習的量子科技究竟是啥？這個科普我已經做了五年（二）量子力學三大奧義 | 袁嵐峯）。

　　量子保密通信的做法，就是利用這些量子力學的特徵，讓信息的發送方和接收方直接建立聯繫。雙方通過一系列量子力學的操作（在實踐中是發射和接收一系列的單個光子，以及隨機選擇“基組”等專業的內容），同時獲得了一段隨機字符串，就像011011100011這樣。

　　最重要的是，雙方手裏的隨機字符串是完全相同的，這是由量子力學原理保證的。而且敵人無法竊密，一旦有人在竊聽，通信雙方立刻就會發現，這也是由量子力學原理保證的。

　　這樣，雙方就可以把自己手裏的隨機字符串作為密鑰。用這個密鑰把信息加密，後面的傳輸就完全是傳統的通信了。例如可以用光纖，可以用電話，可以用電子郵件，甚至用平信都行。

　　這是因為，安全地獲得密鑰之後，密文就可以保證不被數學破解了。所以，量子保密通信的技術難度都在密鑰的產生上面，這一步需要量子的信道。而後面的密文傳輸是很簡單的，這一步任何傳統的信道都可以。

　　你可能想問：為什麼不直接用量子信道傳輸信息呢？回答是，這套量子力學的操作只能產生隨機字符串，不能按你的意願表示信息。但隨機字符串作為密鑰就正合適，所以這不能作為直接傳輸信息的方法，卻成了最安全的加密信息的方法。

　　量子保密通信的原理，是1984年由加拿大和美國的科學家提出的。但二十一世紀以來，在實驗層面，中國後來居上。

　　2016年，中國發射了世界第一顆量子科學實驗衞星“墨子號”。

　　2016年8月16日，“墨子號”量子衞星發射

　　2017年，中國開通了世界第一條量子保密通信的幹線“京滬幹線”（解讀量子通信京滬幹線，包你懂 | 袁嵐峯）。

　　在2017年9月29日京滬幹線開通的新聞發佈會上，中國科學院院長白春禮（電子屏右側）在現場通過“墨子號”量子科學實驗衞星，與奧地利科學院院長安東·塞林格（電子屏左側）進行世界首次洲際量子保密通信視頻通話

　　墨子號實現了衞星與地面站之間的量子保密通信，傳輸介質是真空與大氣層，這叫做自由空間傳輸。京滬幹線實現了北京到上海之間2000公里的量子保密通信，傳輸介質是光纖。兩種方法各有優勢，可以互補使用。

　　京滬幹線的32個節點

　　潘建偉等人最近的這篇文章，介紹的就是墨子號與京滬幹線至今為止的運行結果。京滬幹線有32個節點，還有兩個地面站可以通過墨子號跟京滬幹線連接，一個在河北興隆，另一個在新疆南山。因此，總的跨度達到了4600公里。

　　《Nature》論文圖1：天地一體化量子通信網絡示意圖

　　無論是在連接的數量上，還是在生成密鑰的速率上，還是在抵抗物理攻擊的能力上，還是在穩定性上等等，這個跨度4600公里的天地一體量子保密通信網絡都有傑出的表現，初步達到了實用的要求。論文給出了大量的數據，歡迎大家去閲讀。

　　《Nature》論文表1：天地一體化量子通信網絡中骨幹網、四個城域網（北京、濟南、合肥、上海）、兩個地面站（興隆、南山）以及墨子號衞星的各種指標（中繼數、節點數、用户數、連接數、平均長度、損失率、成碼率）

　　未來，以天地一體化量子通信網絡為基礎，中國將進一步推動量子通信在金融、政務、國防、信息等領域的廣泛應用。一個例子是使用量子精密測量方法的國家地基授時網絡，它將成為世界上最大、精度最高的光纖授時系統。

　　在基礎研究方面，天地一體化量子通信網絡也將成為全人類重要的基礎設施。例如超大尺度量子干涉的實驗可以探索量子力學與廣義相對論的融合，這是當今物理學最基礎的問題。

　　最後，來介紹一下其他國家的情況。經常有人説，量子通信是假的，因為其他國家都不搞。這個説法在邏輯層面就是錯的，因為判斷真假的標準不應該是其他國家搞不搞。而且在事實層面，這個説法也是錯的。

　　歐美在量子通信方面都有大量的計劃與研究。他們都想做中國做的事，只是都還沒有做到。

　　例如，德國和日本都有發射量子通信衞星的計劃。德國還沒有發，日本在2017年發了一顆叫做“蘇格拉底”的衞星，號稱做到了量子通信。但看一下他們的論文，就會發現他們只是在測試量子通信相關的技術，還沒有實現量子通信（日本真的成功進行超小型衞星量子通信實驗了嗎？| 袁嵐峯）。因為他們的技術水平不夠，一次要發一億個光子才能收到，但量子通信必須要每次只發一個光子，所以日本遠遠沒有達標。

　　日本的微型通信衞星“蘇格拉底”（來自日本信息通信研究機構主頁）

　　又如2020年，美國發布的《量子網絡戰略願景》提出：“未來5年，美國將展示實現量子網絡的基礎科學和關鍵技術，從量子互連、量子中繼器、量子存儲器到高通量量子信道，以及洲際天基糾纏分發。”

　　2020年，歐盟發佈的量子旗艦計劃《戰略研究議程》提出：“3年願景是利用QKD協議和具有可信中繼節點的網絡實現全球範圍的安全密鑰分發，6 - 10年願景是使用量子中繼器在光纖上實現800公里以上的量子通信。”

　　跟這些計劃相比，就能看出中國的領先程度。中國領先歐盟3至5年，領先美國5至8年。