公元前405年，斯巴達和雅典之間的戰(zhàn)爭已進入尾聲。此時，斯巴達軍隊捕獲了一名從波斯帝國回國的雅典信使，從他身上搜出一條布滿雜亂無章的希臘字母的普通腰帶。統(tǒng)帥萊桑德無意中把腰帶呈螺旋形纏繞在劍鞘上時，奇跡出現(xiàn)了——毫無規(guī)律可循的字母竟然組成了一段文字。原來波斯帝國密謀在斯巴達軍隊發(fā)起最后攻擊時，對斯巴達軍隊進行突襲。獲悉情報后，斯巴達軍隊改變了作戰(zhàn)計劃。
這就是世界上最早的密碼情報。2400多年來，密碼在軍事、外交、經(jīng)濟等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而密碼學(xué)也得以飛速發(fā)展。
時至今日，“密碼”一詞已與人們的日常生活密不可分，電子郵箱要設(shè)密碼，銀行取款要按密碼，計算機登錄要輸密碼，開啟保險箱要用密碼……然而，盡管經(jīng)歷了手工加密、機器編碼、計算機編碼等不斷升級的過程，密碼變得越來越復(fù)雜、越來越可靠，但是“道高一尺魔高一丈”，對於密碼的破譯從來都和密碼的升級如影隨形。換句話說，無論什麼樣的高級密碼，都有被破解的可能。
那麼，有沒有一種絕對安全可靠，不能被破譯的密碼存在呢？現(xiàn)代量子信息理論與實驗的快速發(fā)展使這一切變成可能。
一般而言，保密通信都可以分為“加密”“接收”“解密”三個過程，發(fā)送者將發(fā)送內(nèi)容通過某種加密規(guī)則（密鑰）轉(zhuǎn)化為密文，接收者在接到密文后採用與加密密鑰匹配的解密密鑰對密文進行解密，得到傳輸內(nèi)容。
量子保密通信的過程也是相同的，隻不過作為加密和解密的密鑰不再是傳統(tǒng)的密碼，而是改用微觀粒子攜帶的量子態(tài)信息。這一看似微小的變化，卻使密鑰的安全性產(chǎn)生了翻天覆地的變化。
“古人在信封上用火漆封口，這樣一旦信件被中途竊取拆開，就會留下泄密的痕跡。”中國科大潘建偉院士打比方說，“量子密鑰在量子通信中的作用就像火漆一樣，但比火漆更徹底。一旦有人試圖打開信件，量子密鑰會讓信件自毀，並讓使用者知曉。這樣，竊聽者不但竊聽不到量子電話的通話內(nèi)容，還會暴露自己。所以，從原理上說，無論是現(xiàn)在還是將來，無論破譯者掌握了多麼先進的竊聽技術(shù)、多強大的破譯能力，隻要量子力學(xué)規(guī)律成立，量子保密通信就無法被破解?！?/p>
國際競爭愈加激烈
1984年，IBM華生實驗室工程師本奈特和布拉薩德提出全新的通信協(xié)議，叩開量子保密通信的大門。此后，西方發(fā)達國家，特別是歐盟、美國和日本均投入了大量人力、物力進行量子通信的理論和實驗研究。
在這一過程中，科學(xué)家們克服了重重難關(guān)。比如，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，雖然有了完備的密鑰分發(fā)協(xié)議，但如何產(chǎn)生真正的單個光子，如何減少光子信號在傳輸過程中受光纖和周圍環(huán)境的干擾而損耗等問題，始終是量子通信實際應(yīng)用時的困擾。
近十幾年來，量子通信的距離和速率都有了飛躍式的提升，通信距離已經(jīng)超過了200公裡。一些小規(guī)模的量子通信試驗網(wǎng)已經(jīng)建成，驗証了量子通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化的可行性，並在國家安全、金融等信息安全領(lǐng)域開始發(fā)揮作用。2004年，奧地利銀行成為世界上首個採用量子通信的銀行，利用該技術(shù)，一張重要支票被從市長處傳至銀行﹔2007年，瑞士全國大選的選票結(jié)果傳送時也採用了量子保密通信技術(shù)，以保証結(jié)果的絕對安全。
很顯然，下一步的國際競爭將更加激烈，人類將致力於將量子保密通信向更遠距離和更大規(guī)模的廣域網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。為此，歐盟《量子信息處理和通信：歐洲研究現(xiàn)狀、願景與目標(biāo)戰(zhàn)略報告》提出了歐洲量子通信的未來發(fā)展目標(biāo)，將重點發(fā)展量子中繼和衛(wèi)星量子通信，實現(xiàn)千公裡量級的量子密鑰分發(fā)﹔歐洲空間局則計劃在國際空間站上的量子通信終端與一個或多個地面站之間建立自由空間量子通信鏈路，演示量子密鑰全球分發(fā)的可行性﹔日本國立信息通信研究院則計劃在2020年實現(xiàn)量子中繼，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(wǎng)絡(luò)﹔而美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的理查德·休斯及其研究伙伴們近日表示，在過去幾年中他們一直在悄悄創(chuàng)建一套輻射狀的量子互聯(lián)網(wǎng)。
“中國軍團”后來居上
在量子保密通信這場國際化競爭中，我國盡管屬於后來者，但起點高，進展快，在應(yīng)用研究的多個方面已經(jīng)達到了世界先進水平，其中在城域量子通信關(guān)鍵技術(shù)方面已經(jīng)達到了產(chǎn)業(yè)化要求，產(chǎn)業(yè)化預(yù)備方面與歐美處於同等水平狀態(tài)。
在量子通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化研究方面，中國科大潘建偉小組於2008年建成光量子電話網(wǎng)，實現(xiàn)了“一次一密”加密方式的實時網(wǎng)絡(luò)通話，真正做到了“電話互聯(lián)互通、語音實時加密、安全牢不可破”的量子保密電話網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使得我國在實用化量子網(wǎng)絡(luò)通信研究方面在國際上走在了前列。這一成果早於歐洲科學(xué)家發(fā)布的SECOQC網(wǎng)絡(luò)，一經(jīng)發(fā)表即在國內(nèi)外產(chǎn)生良好反響，美國《科學(xué)》雜志以“量子電話”為題進行了報道，並評論道：“有了這樣的演示，量子私密進入千家萬戶不會是很遙遠的未來”。2009年，中國科大郭光燦小組在安徽省蕪湖市建成了“量子政務(wù)網(wǎng)”。
2012年初，基於潘建偉小組的研究成果，世界上規(guī)模最大的46節(jié)點的量子通信試驗網(wǎng)在安徽省合肥市建成，標(biāo)志著大容量的量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)取得了關(guān)鍵突破﹔與此同時，新華社和中國科大合作建設(shè)的金融信息量子通信驗証網(wǎng)在北京開通，在世界上首次實現(xiàn)了利用量子通信網(wǎng)絡(luò)對金融信息的安全傳輸。
潘建偉小組還在量子存儲和量子中繼器技術(shù)研究方面處於國際領(lǐng)先地位，2008年，該小組通過糾纏交換實現(xiàn)了由300米光纖相連的兩團冷原子氣體的量子糾纏，完美地構(gòu)建了量子中繼器的一個基本節(jié)點，向遠距離量子通信邁出了重要的一步。2009年，該小組又將量子存儲的時間提高到毫秒量級，較之前最好的結(jié)果提高了兩個量級。2012年，該小組成功實現(xiàn)了3.2毫秒的存儲壽命及73%的讀出效率的量子存儲，為目前國際上量子存儲綜合性能指標(biāo)最好的實驗結(jié)果。
量子衛(wèi)星實現(xiàn)“全球通”
科學(xué)家們認(rèn)為，量子保密通信技術(shù)的實際應(yīng)用將分三步走：一是通過光纖實現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)﹔二是通過量子中繼器實現(xiàn)城際量子通信網(wǎng)絡(luò)﹔三是通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實現(xiàn)可覆蓋全球的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。目前，我國量子保密通信技術(shù)在城域網(wǎng)上的使用已基本成熟，可以推廣——連接北京和上海的千公裡光纖量子通信骨干網(wǎng)工程“京滬干線”已正式立項，有望在兩到三年內(nèi)投入使用。
但由於光子易被信道吸收，光纖量子通信很難突破百公裡量級傳輸距離的限制，因此要實現(xiàn)廣域的量子保密通信，還需要借助衛(wèi)星。這主要是因為大氣對某些特定波長的光子吸收非常小，而且大氣層以外幾乎是真空，因此量子信息的攜帶者光子在外層空間傳播時幾乎沒有損耗，如果能夠在技術(shù)上實現(xiàn)糾纏光子在穿透整個大氣層后仍然存活並保持其糾纏特性，就有望克服光纖傳輸?shù)娜觞c，甚至可以覆蓋全球。
目前，潘建偉團隊作為在國內(nèi)惟一開展星—地自由空間量子通信實驗研究的團隊，牽頭組織了中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”，計劃在2016年左右發(fā)射量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，在此基礎(chǔ)上將實現(xiàn)高速的星地量子通信並連接地面的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)。
2005年，他們在世界上第一次實現(xiàn)了13公裡自由空間量子通信實驗，突破了等效大氣層厚度，証實了星—地量子通信的可行性﹔2009年，他們又在八達嶺長城附近成功實現(xiàn)了16公裡的自由空間量子隱形傳態(tài)﹔2012年，他們在青海湖完成了百公裡自由空間量子態(tài)隱形傳輸與糾纏分發(fā)實驗﹔2013年，他們在國際上首次成功實現(xiàn)了星地量子密鑰分發(fā)的全方位的地面驗証，驗証了星地之間安全量子信道的可行性，為實現(xiàn)基於星地量子通信的全球化量子網(wǎng)絡(luò)奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。
隨著量子通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)，在不久的將來，作為保障未來信息社會通信安全的關(guān)鍵技術(shù)，量子保密通信將有望走向大規(guī)模應(yīng)用，極有可能會進入千家萬戶，服務(wù)於大眾，成為電子政務(wù)、商務(wù)、醫(yī)療，生物特征傳輸和智能傳輸系統(tǒng)等各種電子服務(wù)的驅(qū)動器，為高度信息化的社會提供基礎(chǔ)的安全服務(wù)和最可靠的安全保障。（記者 李陳續(xù) 通訊員 蔣家平）
