纠缠着神秘的“纠缠”——潘建伟委员解读“量子通信”

2019-03-07来源:人民政协报
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香港开奖现场结果直播 www.idu0h.com.cn 2016年8月,墨子号量子科学实验卫星发射升空,成功完成了中国探索星地量子通信可行性的使命,并首次在空间尺度验证了量子非定域性的正确性。

光纤量子密钥分发最远安全距离可做到404公里,“墨子号”可做到星地1200公里,这是中国量子通信领先世界的标志。

量子通信具有传统通信方式所不具备的绝对安全特性,世界首个远距离量子保密通信骨干网“京沪干线”已经正式开通,同时结合“京沪干线”与“墨子”号的天地链路,中国和奥地利之间首次成功实现洲际量子密钥分发,并利用共享密钥实现了加密数据传输和视频通信。

量子通信正逐渐走进日常生活,或许10多年后,量子通信就会走进寻常百姓家,让原本属于你的私密真正属于你本人。

静谧遥远的地理空间,两个相距甚远的微观物体,一个改变状态,另外一个也会随着改变,仿佛这二者之间是通过了某种神秘渠道得以紧密相连。

在量子物理的诸多奇异现象中,“量子纠缠”或许是其中最不可思议的一种。以至于伟大的爱因斯坦,在1935年得知这个现象后,难以置信地称之为“鬼魅般的超距作用”。

是不是很有趣?

不止有趣,全国政协委员、中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟还推进了它的“有用”。

2016年8月16日1时40分,夜空中发出的耀眼强光,照亮了整个酒泉卫星发射基地———墨子号量子科学实验卫星成功发射升空。这次星际之旅成功完成了中国探索星地量子通信可行性的使命,并首次在空间尺度验证了量子非定域性的正确性,为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。

换句话说,中国有可能率先建立一个全球化的、原理上无条件安全的通信网络,这就是“量子通信”。

为此,中国墨子号量子科学实验卫星科研团队,将2018年度纽科姆·克利夫兰奖收入囊中。这是美国科学促进会历史最为悠久的奖项之一,自奖项设立90余年以来,中国科学家在本土完成的科研成果获得这一荣誉,尚属首次。中国在量子信息这个多学科融合前沿技术中所取得的国际学术地位,由此可见一斑。

如今,就让与这神秘的“纠缠”纠缠了十几年的潘建伟,带我们去看看这个微观世界,是如何影响宏观世界的。

“信息安全,无论对国家还是对个人都有重要意义”

记者:墨子号量子卫星的成功发射,在国际范围内收获了巨大关注与赞誉。这件在量子信息技术领域堪称里程碑式的事件,意义何在?

潘建伟:2018年,素有诺贝尔奖风向标之称的“沃尔夫物理学奖”在获奖者介绍中专门提到:“量子密钥分发已经成功实现商业化,在光纤中已经能做到几百公里,用卫星可以做到上千公里”。光纤量子密钥分发最远安全距离做到404公里,另一个就是“墨子号”做到的星地1200公里,这是中国量子通信领先世界的标志。

值得一提的是,量子通信利用量子力学原理对量子态进行操控,可以完成经典通信所不能完成的任务。量子密钥分发可以实现无条件安全的密钥分发,就算窃听者有全宇宙最强的计算机,哪怕是量子计算机,也不能破解加密后的信息。使用量子密钥分发技术可以帮助实现通信安全中机密性、真实性和不可否认性的无条件安全,也就是说,保证通信加密无法破译,保证对方身份真实可靠,保证信息无法被篡改。

记者:同为通信领域,与现在大家热议的5G相比,量子通信最大的“爆点”在哪里?

潘建伟:量子通信本身有两个重要应用,其中一个叫量子密钥分发,或者叫量子保密通信,通过一种原理上无条件安全的密钥分发手段实现信息传输,为遥远地点之间任何两两用户,建立起安全有效的通道或者信道,这是属于信息安全的范畴。我们通常所说的量子通信就是指这个范畴,在通信领域主要解决的是传输信息的安全问题,不解决速度问题。

未来的通信是什么样的?第一要是移动无线的;第二,高速率的,比如5G;第三就是安全的。量子保密通信解决的是未来通讯三要素中的安全性问题,而5G解决的是高速率问题。

量子信息技术的第二个重要应用,量子态隐形传输也有一种有趣的应用方式,我们称之为密集编码,用量子纠缠态进行传输,从原理上也是能够提高传输的速率,或者扩大信道的容量。但是这个技术不会很快就能实现,还需要更多努力和更长的时间。

今后5年我们的目标是,在量子保密通信的应用上,进一步开展技术验证和应用示范,降低设备成本,对用户更加友好,让完全不懂量子力学的用户也可以使用设备。然后通过对攻防的研究测试安全性,制定标准,确认软硬件可控可信。随后在未来5到10年内,就会有大规模的相关应用出现。

记者:如果现在量子通信主要致力于解决通信的安全性问题,这对国家信息安全意义重大,普通老百姓是否也很需要?

潘建伟:当然了,老百姓的私人信息也是需要保密的。比如个人账户的资金转移,未来更多的移动终端操作,关键信息会不会泄露关乎每一个用户。

再比如未来的无人驾驶,需要有人从遥远的终端进行控制,假如被黑客控制,车辆行驶的安全性就得不到保障。物联网时代,我们还没有到家,就会用无线控制机器人提前把水烧好,甚至把饭做好。如果这个系统被黑客入侵,在不该开燃气的时候自动打开,后果可以想象。这个时候,安全的通信手段特别必要,要让原本属于你的权益真正属于用户本人。因此随着未来信息化不断深入推进,信息安全,无论对国家还是对个人,都有着非常重要的意义。

“科技创新的魅力在于不确定性”

记者:“量子纠缠”产生于两个微观粒子之间,且产生的原理尚不明确,那么从理论通往实践之路注定不会平坦。中国的量子通信是如何“从梦想照进现实”的?

潘建伟:坦白讲,我们的研究是从是量子力学开始,起初并不是奔着量子信息技术去的,只是被一步一步推到了现在。因为一项科学技术的研究,没有人能从一开始就预见到未来。

回忆当时,1996年我们在实验室里,只能把量子密钥传输距离做到几十厘米,隐形传态也是只能传输30多厘米。我有一个非常要好的朋友———是这个领域提出纠缠量子密码的先驱性人物——当时就断言:在有生之年不会看到这项技术成为现实。而2016年我们的量子卫星发射,2017年又把千公里级量子纠缠分发做出来时,他简直说不出话,觉得这是匪夷所思的事情。

从这个角度来讲,我非常钦佩国家有关部门的前瞻性和魄力。在量子信息技术的研究还处于初级阶段时,他们就看到了这项技术在信息安全上的巨大潜力,希望研究能继续推进下去。当理论在实践层面出现真正需求时,转化的时机就成熟了。在随后数年时间里,我们把安全距离从公里到十公里到百公里再到400公里逐级推进,在不久的将来,我们还将拓展到500-700公里。然后再远的距离怎么办?量子卫星就是解决更远距离传输的问题。

所以,我们在进行一项研究时,并不能确定会成功,但科技创新的魅力正在这里。

记者:您所说的科技创新的魅力是“不确定”性?还是在不确定性中的坚持?

潘建伟:科技创新整个过程一般会经过三个阶段:

第一个阶段,别人都说不靠谱。1999年到2000年,我在国内到处呼吁做量子信息技术的研究时,很多人说,你这个量子纠缠是什么遥远地点之间的诡异互动,不靠谱。甚至有人还认为量子信息是伪科学;

第二个阶段,我们自己坚持做这项研究,逐渐有了一定进展和成果时,又有人会说,理论上可行,但属于基础研究,还不成熟有待完善,实现工程化还有一定距离;

第三阶段,再过十年、十五年,当这项技术被广泛使用后,大家也许会习以为常,甚至认为这项技术已经不够新了。

到此,科技创新的整个链条才算完成。

从怀疑,到将信将疑,到习以为常———一路走来,其实就是要坚持坚守,要踏踏实实去做。一开始我们也没有想到量子保密通信的安全传输距离能达到几千公里,再看现在,我们已经开始准备利用中高轨道卫星做万公里级的量子通信了。这在20年前,是做梦都不敢想的事情。事实证明,只要脚踏实地,就会一步一步走到想要去的地方。

“从实用化到产业化的关键是标准化”

记者:任何一项技术的演进,都是为了让世界更美好,目前量子信息技术的应用情况如何?存在什么难点?

潘建伟:国家发展改革委立项的世界首个远距离量子保密通信骨干网“京沪干线”已经正式开通。“京沪干线”连接北京、上海,贯穿济南、合肥,全长2000余公里,全线路密钥率大于20kbps,可为沿线金融机构、政府部门等提供高安全等级的量子保密通信业务支持。同时,结合“京沪干线”与墨子号的天地链路,中国和奥地利之间通过墨子号量子卫星在国际上也首次成功实现了距离达7600公里的洲际量子密钥分发,并利用共享密钥实现了加密数据传输和视频通信。

当前率先实用化的量子保密通信技术从实用化到产业化规模应用,的确还面临着不少挑战。其中,标准化是关键一步,是未来产业成熟发展的基石。

面对挑战,我国也正全力推进相关标准化工作,2017年设立的量子通信与信息技术特设组,已有44家会员单位,正在围绕量子保密通信标准体系的术语、应用场景、网络架构、技术要求、测试方法、应用接口等内容编制有关国家标准和行业标准。另外,我国专家在ISO/IEC国际标准化组织启动了量子保密通信技术的全球首个国际标准项目,正式开启国际标准化进程。

记者:据了解,两会结束后,您将作为九三学社“科普中国——科学大咖面对面”第三期的主讲嘉宾,为众多科学爱好者作题为“新量子革命”的报告。很多人都认为量子信息技术非常高深,晦涩难懂,为什么您坚持要对公众做科普?

潘建伟:2016年,习近平总书记在“科技三会”上指出,“科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼,要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置”。我非常认同,如果大家都对科学不感兴趣,我国创新驱动战略就难以实施,如果一个国家没有崇尚科学的土壤,科技创新就难以实现。从另一个角度,国家投入这么多,我们理应让纳税人知道我们在研究什么,这些研究的应用价值在哪里?要让每一个纳税人觉得对科学方面的投入是值得的。

还有最重要的原因,来自于一个很深的感触。在国外做科研与在国内做科研有一个很大的不同,在国内做科研,大家最喜欢问的是,最近发表了什么重要论文?研究有什么成果和突破?获得什么奖项?而国外一般会问,这项研究到底是什么?有什么有趣的地方?你为什么要做这个?有什么作用怎么实现?两相对比,国外关心的是过程,是科学本身,而国内注重的是结果,稍显功利。但是通过对公众的科普,就会引起大家对这项科学本身的兴趣,对做这项技术的动机更感兴趣,从而能有耐心地坚持研究。

尤其在信息爆炸的当今时代,各种真假信息的传播中,“真科学”和“伪科学”区别就在一线之间。现在社会上已经有人打着“量子”的概念,捏造出量子挂坠、量子水以及量子鞋垫,宣称可以保健防癌等等。如果不进行科普,大家就不能区分什么是真科学什么是伪科学。所以只要时间允许,我们都会尽量多地去做一些科普工作,一方面让更多人对科学感兴趣,另一方面厘清误区、破除误导,重塑公众对科学的敬畏。对科技创新的崇尚与跟随,这才是其中的重要意义。

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