量子通信京滬幹線：歐美沒有的，讓我先來做

【文/ 觀察者網專欄作者 徐令予】

去年的科技界捷報頻傳，令人目不暇接。跨入2017年，科技向前邁進的步伐有著進一步加快的跡象，兩千公里長的京滬量子通信幹線建成就是一個最好的證明。

目前的量子通信實質上就是量子密鑰分配技術（又稱QKD），它是利用「單量子不可克隆定理」來實現密鑰配送的絕對安全。京滬量子通信幹線建成后，位於北京和上海的用戶之間可以分享高度安全的密鑰，然後發送方使用這種對稱密鑰對信息加密后通過公共通信網路上傳送，接送方用該密鑰解密得到信息原文，雙方通信的安全性有了可靠的保障。遠程量子通信幹線的建成是現代量子信息技術發展的重要里程碑。不久前，IEEE的雜誌Spectrum 對的京滬量子通信幹線有篇評論，寫得深入淺出、通俗易懂，很值得一讀[1]，規勸那些量子通信懷疑論者更應該好好讀讀。

直到目前為止，世界上最長的量子通信光纖網路全長為307公里，由歐洲的日內瓦大學和康寧玻璃公司合作建造[2][3]。英國準備在布里斯托爾大學和劍橋大學之間建立一條連結8個大學的量子通信幹線，全長大約500多公里，可惜還停留在圖紙上，如果他們不向派出留學生或請專家指導，我估計2020年前他們不會有什麼戲可唱。

長久以來，量子通信線路的距離像兔子的尾巴，長不了，這是由單光子的量子物理特性所決定的。量子密鑰交換分配是通過單個光子的量子態傳遞的，問題是單個光子在光纖和空氣中會被吸收和散射，它們傳輸的距離是有限的。單個光子最大傳輸距離也服從統計規律，傳輸距離越長，光子被吸收和散射掉的機會越大。

這個規律嚴重地制約了遠距離量子密鑰交換的效率。數據顯示，在一千公里的光纖上用單光子直接進行量子密鑰交換，無論採用怎樣好的技術，最好的結果大概三百年傳遞一位兩進位密鑰，這個結果顯然是無法接受的。

在傳統的遠距離通信中常常釆用的信號放大和中繼技術根本不適合光量子通信，因為任何對單個光子的測量、拷貝和處理都會改變單個光子的量子狀態，這必定導致量子密鑰分配傳遞的失敗。這就是為什麼直到目前為止，量子密鑰分配的極限就在一百公里左右，這道坎一直難以逾越，遠距離的量子通信幹線始終只停留在書齋的論文中。從1984年國際上首個量子密鑰分發協議(BB84協議)提出以來，增加安全通信距離、改善密鑰分配效率和提高整體系統的安全性，成為開發實用性量子密鑰分配系統最重要的3個目標。

如今的科技工程人員力克諸多技術難關，在世界上首次實現二千公里遠距離量子密鑰分配，這是一件非常了不起的工程實踐。據報道，其關鍵技術的突破是可信任量子密鑰中繼站。可信任量子密鑰中繼站不是簡單的光量子接收、放大和再傳送，而是密鑰在可信任中繼站之間的接力遞送。具體的技術實現手段又有多種，有興趣的可以讀一讀附件[4]。

簡單地可以這樣來理解：用戶A先後通過兩個可信任中繼站N和M與用戶B配送密鑰，A先與N通過光量子交換得密鑰K，N又與M之間交換得密鑰K2，然後N通過公共通道用公鑰保護後送K和K2的混合碼給M，由於M知道K2，所以只有M明白了A送出的是密鑰K，然後M再與用戶B光量子交換得密鑰K3，並且也通過公共通道把K和K3混合碼送給用戶B，只有B明白了A送給自己的真正密鑰是K。

使用可信任中繼站技術的通信幹線的軟肋就在中繼站裡面，因為由光量子攜帶的密鑰到達中繼站后都會被轉換成傳統密鑰訊號，它們會成為黑客攻擊的首選目標。許多人對這種中繼站方案提出質疑是正常和可以理解的，但是首先應該看到，現在的可信任中繼站主要靠計算機嚴密監視，幾乎無需人員參與，量子中繼站有自毀裝置，一旦發現有疑，立即停止光量子傳送並刪除所有密鑰。

我們必須明白，在傳統網路上，竊密者可以在全線處處設伏攻擊，防不勝防。而在量子中繼網路中，我們根本無需關心線路上的安全（包括客戶接入網路那一段線路，這往往是最危險的部分），現在只要重點防守可信任中繼站就足夠了。這與軍事上防守方都選擇多山地形，用重兵扼守山隘是一個道理。

有讀者提出了在冷戰時美方在柏林地下搭建竊聽站，這個例子充分說明傳統電訊網之不安全，竊聽者可在線路的任一地點分出訊號並解密得到情報而不被發覺。而在量子密鑰中繼網路上，這樣的竊密方式根本不可能。

連接北京、濟南、合肥和上海四個大城市，全長為兩千公里的量子通信幹線共使用32個可信任光量子中繼站，每兩個中繼站之間的平均距離為62.5公里，約為自由單光子極限傳輸距離的一半，這足以保證量子密鑰傳輸的可靠性和穩定性了，這樣量子密鑰的傳輸速率可以做到很高。我估計在這條量子通信幹線上每秒至少可以傳送一萬比特的量子密鑰，也就是說一千位比特的密鑰每秒鐘可以傳送十條以上，在長達兩千公里的距離上如能達到這樣可觀的性能指標就是了不起的技術突破，它為量子通信技術的實用化打下了堅實的基礎。

讓量子通信飛入尋常百姓家的必要條件是量子通信網路的遠程化和全覆蓋，可信任量子中繼站技術對量子通信網路的遠程化意義重大，但是這還遠遠不夠，從長遠看，利用衛星進行光量子通信中繼和利用量子糾纏態傳遞密碼信息可能是大幅拓展量子通信網路的重要手段。同樣，在這兩項高新技術探索中也領先世界，工業現代化的速度令世人矚目。

從上世紀五十年代開始的工業化的道路可以大致分為這樣幾個階段：1）前三十年：歐美有的，我也要會做，儘管成本高、質量差，聊勝於無吧，又謂「填空白、交學費」；2）近三十年：歐美有的，我不僅會做，而且生產成本低，質量也不差，這就是席捲全球的「Made in China」；3）最近幾年又有一波新潮在涌動：歐美沒有的，讓我先來做，成為新技術的先驅者和開拓人。

高鐵網路和遠距離量子通信幹線就是兩個典型的例子，後者可能更有代表性、更具說服力，畢竟日本和歐洲也有高鐵，差距也不大，它們目前還有本錢與搶市場。而遠距離量子通信幹線只此一家別無分店，是該高新技術的首個實施和應用的國家，也很有可能成為該領域的行業標準和規範的制定者，其長遠的戰略利益無法估量。

但是新技術的先驅者和開拓人是需要智慧和勇氣的。魯迅先生曾稱讚：「第一個吃螃蟹的人是很令人佩服的，不是勇士誰敢去吃它呢？」航天科工副總經理方向明先生說過這樣一段話：過去，航天的科研部門提出一個方案或設想，軍方使用部門幾乎都會問：在這個問題上，美國、外國是怎樣的？於是，我們可以借鑒、參照、總結外國人的已有經驗，提出修正或另闢捷徑的方案。然而，從現在開始，航天科研部門提出的很多方案、設想，將找不到國外的參照或借鑒，將在航天科研的「無人區」獨自探索前行。不久的將來，寂寞和孤獨將是科技工作者的常態，他們將常常會「拔劍四顧心茫然，欲渡黃河冰塞川，將登太行雪滿山。」

由此也不難理解為什麼量子通信工程在國內受到種種的責難和非議，我撰寫的科普教育和科技評論的一系列文章中，只要有關量子通信的無一例外受到最多的質疑和負面評論。當然有些問題與量子物理的抽象深奧有一定關係，但其實多數的高新技術常人也都弄不明白的，歸根結底，大家真正擔心的還是為什麼歐美都不建量子通信幹線，能行嗎？這充分反映了人們進入「無人區」探索前行時的害怕和擔憂，這是由跟隨者變成領跑者必須付出的代價，角色轉換引起的心理不適期將會長期苦惱著先行者。

在量子通信的高科技領域成為開拓者和領跑人是國家的戰略需要，它關係著國家的生存和發展，開弓沒有回頭路，沒有其它選擇。因為今天的密碼系統面臨嚴峻的挑戰，網路信息安全已經到了危險的時刻。而利用「單量子不可克隆定理」來實現對稱密鑰配送的絕對安全，可能是力挽狂瀾應對危局的唯一途徑[5]。

確實，從目前量子密鑰分配技術的現狀看，其成本高而且問題也不少，有些人提議把資金轉用來改進目前的公鑰密碼系統，認為這樣的效果可能更好。我覺得這樣的想法要不得，目前的系統從原理上受到了挑戰，用保守的求穩方法是下策。退一步，即使未來幾年中「lattice-based crypto」公鑰密碼演算法取得突破，它的運行效率高而且量子計算機不可破，又有什麼大不了呢，掌握兩套密碼系統總比兩手空空為好，誰也不願裸奔吧？在人際交往中可能朝後退一步海闊天空，在科技領域中只能向前進一步方能絕處逢生，這是數百年工業革命最為深刻的經驗教訓。

再退一萬步，即使目前討論的量子密鑰分配技術最終沒有進入大規模應用，也不見得就是多大的災難。新的技術方案只能在工程實踐中去檢驗和修改，紙上談兵又有何用？只有通過大規模的工程實踐，方能培養和鍛鍊出共和國自己的量子物理和工程技術的棟樑之才，新技術的研製和投入也會催化大量相關技術的開發，開拓出新的意想不到的產業鏈，單憑此，就一個字：值。量子物理和它的應用技術將決定世界的未來，有興趣的可以讀讀美國國家科學技術委員會最近的報告[6]。

成為量子物理和相關應用技術的開拓者和攀登者是時代的需要，開拓和攀登是艱辛的，但更是光榮的，我向潘建偉院士領導的攻關團隊致敬！我不會歌唱也沒有鮮花，謹以如下的文字敬獻給你們。

有人問，「你為什麼要去登山？」

「因為山就在那裡。」（Because it is there.）請牢記登山探險家George Mallory的這句絕世名言！這裡的「山」代指人間一切值得追求的高尚完美的目標。

無論攀登如何艱難，請勿輕言放棄，因為山就在那裡！你豈能將它忘懷。

不管攀登怎樣寂寞，不要害怕孤單，因為山就在那裡！你倆作伴有依偎。

攀登者的英姿風采，不會被人遺忘，因為山就在那裡！它就是你的豐碑。

註釋：

[1]http://spectrum.ieee.org/telecom/security/chinas-2000km-quantum-link-is-almost-complete

[2] As of August 2015 the longest distance for optical fiber (307 km) was achieved by GAP, University of Geneva and Corning Incorporated. In the same experiment, a secret key rate of 12.7 kbit/s was generated, making it the highest bit rate system over distances of 100 km.

[3]清華大學王向斌小組提出了4強度優化理論方法，可以大幅度提高安全成碼率和安全距離。理論分析表明，該方法在典型實驗條件下可以將成碼率提高近兩個數量級，從而大幅度提高實用化水平。2016年，潘建偉小組進一步通過發展穩定的雙光子干涉技術和系統長時間穩定技術，採用王向斌教授發展的理論方法，結合上海微系統所尤立星研究員研製的高效低雜訊超導納米線單光子探測器，成功地將測量設備無關的量子密鑰分發安全傳輸記錄拓展至404公里超低損耗光纖和311公里普通光纖距離，創造了光纖傳輸距離新的世界紀錄。

[4]可信任量子通信中繼站方案 附件

[5]我的一些有關量子通信的文章：

拿什麼拯救你-危機四伏中的密碼系統

量子密鑰分配技術-維護信息安全的忠誠衛士

堅持發展量子通信技術是正道

[6]https://www.whitehouse.gov/sites/whitehouse.gov/files/images/Quantum_Info_Sci_Report_2016_07_22%20final.pdf

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