中國實現首次洲際量子通話：沒有人能竊聽對話

　　9月30日訊息，“薛定諤的貓”理論認定，在量子系統中，一個原子或者光子可以同時以多種狀態的組合形式存在，而這些不同的狀態可能對應不同的甚至是矛盾的結果。這就是著名的“貓既是死的又是活的”的假設理論。這個理論聽起來很古怪，但是相關的物理學理論在現實世界中有著許多重要的應用。

　　其中一項應用就是通訊加密，這樣任何人都沒有機會竊聽私人通話，無論是駭客還是間諜或者安全服務都不行。中國科學院在發表的一份宣告稱，科學院院長白春禮與任職奧地利科學院院長的Anton Zeilinger進行了視訊通話，這是洲際量子通話的首次現實驗證。

　　宣告中稱：“私密和安全通訊是人類的基本需求。特別是隨著網路應用和電子商務的指數級增長，建造一個保護資料的全球安全網路尤為重要。傳統的公鑰密碼系統通常依賴於特定數學函式的難解性。相比之下，量子金鑰分配（QKD）藉助的是處於量子疊加狀態的單一量子（或光子）來確保通話兩端的絕對安全。”

　　中國科學院的專家稱，之前，由於技術方面的原因導致量子通訊技術只能夠實現數百公里內的連線，但是現在他們已經藉助一顆名為“墨子號”的精密衛星找到突破這一限制的方法。

　　這顆衛星配備了一臺誘餌狀態的QKD發射器，一個混亂的光子源和一臺量子通訊接收和分析器。此外，科學家在中國建造了五座地面衛星接收站。據中國科學院稱，加密通訊系統正在政府、銀行、證券和保險公司中進行實際應用測試。科學家們計劃將在中國境內與新加坡、義大利、德國和俄羅斯這四個國家進行類似的通訊測試。

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　　量子傳送-也叫作量子通訊：是由量子態攜帶資訊的通訊方式，它利用光子等基本粒子的量子糾纏原理實現保密通訊過程，這是一種絕對安全的加密通訊方式。

　　量子通訊藝術圖

　　中國科學家已經成功的透過海水傳送糾纏粒子之間的資訊，這種型別的量子通訊首次在水下實現，在這個概念驗證實驗中，透過一個3.3米的水槽實現了量子的水下傳送。

　　但研究人員預測，使用這種技術可以實現在900米範圍內量子無損傳送。這種技術明顯可以應用於潛水艇。需要知道，潛艇自問世以來就以難以探測的隱蔽性成為克敵制勝的一大法寶，而通訊問題則可謂是制約潛艇效能發揮的一個世界性難題。而中國率先解決了量子通訊的水下應用問題，潛艇就可以不用浮出水面進行通訊聯絡，這對於提升潛艇自身安全能力也至關重要。

　　-潛水艇-圖片來自@視覺中國

　　量子通訊是一種基於愛因斯坦稱為“幽靈”的量子糾纏的想法。基本上，量子糾纏意味著兩個粒子成了不可分割的聯絡，以致於無論發生什麼，無論它們相距多遠，都會自動影響另一個粒子。

　　但是直到現在,沒有人在水中做這種實驗,因為它會散射任何試圖透過它的東西。如果這不太容易理解，那麼試著用鐳射筆從空中射進水中。

　　科學實驗

　　在這項實驗中，來自上海交通大學的研究人員從黃海採集海水，並將其安裝在實驗室的一個3米長的水槽中。

　　然後，他們透過在晶體中發射一束光線，產生了一對糾纏光子。無論哪一個光子的極化，它的另一半都會自動產生相反的偏振。

　　這些粒子被放置在水箱的兩端，研究小組表明，儘管被海水隔開，但他們能精確地在98%以上的時間之間傳遞資訊。

　　研究人員在光學學會雜誌上寫道：“我們的研究結果證實了海水量子通道的可行性，這代表了水下量子通訊的第一步。”。

　　現在還處於初期階段，不過對其他團隊來說，現在複製這一結果很重要。

　　能否在更遠的距離進行，還有在不侷限於水槽的海水中能否實行，還需要進一步實驗。

　　(2017-08-28)

　　今年7月，中國科學家宣佈他們利用宇宙的一種“幽靈般的”性質，首次實現了地面與太空之間的遠距離傳送。

　　這並非人或者物的瞬間轉移，而只是停留在粒子層面——如光粒子——傳送依據量子力學進行，該試驗就是對量子力學的證明。

　　雖然理論早已提出，但此次試驗仍然具有重要意義：此次量子隱形傳輸的距離達到870英里（約1400千米），幾乎是之前所有記錄的八倍。此外，不僅有一位研究人員表示，把光子發射到衛星是一個巨大的進步，由此研發出來的技術可以顛覆我們當代的生活。

　　在康奈爾大學研究量子力學的物理學家J.C.謝默斯·戴維斯（J.C. Séamus Davis）表示，這一最新研究成果“具有深遠意義”，因為全面的“量子網際網路”可能在這一基礎上得以形成。一旦形成，我們現有的全球資訊網就會被淘汰。

　　“量子網際網路不僅在速度上會有極大的提升，還能避免私人資訊被竊取，因此安全上也更加有保障”戴維斯如是告訴《商業內幕》的記者，“使用這種網路，根本無法秘密地進行竊聽活動。”

　　今年7月4日，中國各研究院有近三分之二的科研人員向學術論文預印本網站Arxiv提交了最新研究的論文。雖然這一研究還沒有經過同行評議，但在此之前，《科學雜誌》在6月15日發表的一篇論文也使用了墨子號量子科學實驗衛星。

　　戴維斯還不能確定量子網際網路何時才能上線，以及使用它的潛在後果。他認為，量子網際網路可能會和20世紀80年代初網際網路剛剛興起時一樣，但是會產生更大的影響力。

　　網際網路興起之初激起了人們的好奇心，有時甚至使人們陷入一種矛盾的心理狀態。但是它卻開啟了十年之久的創新，當時的秩序逐漸被打破，重塑了我們當代的生活。全面的公共量子網際網路也會帶來類似的改變。

　　“量子物理會帶來一系列的科技創新：量子網際網路、量子資訊科技、量子計算機、量子密碼學”戴維斯（他並沒有參加這項研究）稱，“這些技術會紛至沓來，30年到50年以後，世界的運轉將由它們主宰。這就是為什麼我覺得這篇論文非常有意義。”

　　利用量子隱形傳輸的怪異特性

　　1992年，科研人員在數學上證明了量子傳輸的可能性，並在1998年使用光子進行試驗，證明了這一推測。此後，全世界的科學家們都重新研究這一成果，或在此基礎上進一步研究。

　　量子隱形傳輸和《星際迷航》中的傳送不同，不能將人掃描後在宇宙中另一個地方完美的複製出來。它利用的是兩個粒子之間的糾纏狀態。兩個粒子形成糾纏態以後，再將其分開。只要量子態保持穩定，分開後的粒子仍然保持關聯。

　　量子糾纏可以將兩個粒子的狀態捆綁起來，如自旋或極化，但是粒子態相對模糊或奇怪，物理上稱之為“疊加狀態”。“兩個粒子形成糾纏態以後，它們應同時處於上旋或下旋的狀態，但在被觀測時，則總是表現為一個朝上，另一個朝下的狀態”。

　　“這個狀態非常奇怪，就是死貓狀態和活貓狀態的混合體”戴維斯稱。

　　但如果直接對一個粒子做測量（或者推力大一點），它的狀態就會顯現出來，另一個粒子便會立即顯現出相反的狀態。兩個粒子就好像是在同一時間、同一地點存在的一個粒子。不管它們距離多遠，兩個粒子總是能“傳輸”給彼此相反的狀態，而且傳輸速度比光速還快。

　　愛因斯坦認為量子糾纏實屬荒謬，將其稱作“幽靈般的超距離作用”。

　　“愛因斯言並沒有接受這種現象”戴維斯稱，“他在生命結束以前都沒有接受這一事實，但無數次事實已經充分證明了它的存在。”

　　光子、原子等粒子能夠形成糾纏狀態，並把狀態傳輸被彼此，其方式和原因不得而知。在極小的層面上，宇宙法則似乎會有違於我們生活的常理，其中一些甚至是矛盾的、不合乎邏輯的。例如在量子力學領域，不是所有的結果都有原因，有時結果出現在原因之前（“這並不是我捏造的”戴維斯稱）。

　　戴維斯還說，我們無法理解量子力學中的一些現象是很正常的，因為“我們並不是生來就要懂得”那些理論及其有違常理的現象。

　　“但我們在20世紀20年代開始的推測是完全正確的”他說，“這是人類歷史上最成功的科學理論。”

　　幾十年如一日的推測和實驗始終沒能實現從地面到軌道的量子隱形傳輸。直到現在這一空白終於填補上了。戴維斯認為此次試驗將會打破傳統的規則。

　　為什麼以及如何將量子傳輸到太空

　　想要將量子傳輸到太空是因為分離量子糾纏的傳統方式存在問題。我們習慣上使用的是光纖，網際網路在一定程度上也依賴的是光纖。

　　鋪設光纖的成本高、耗時長。而且，光纜越長，其傳輸的資訊就會越失真，量子糾纏也更容易被破壞。即使用鐳射發射糾纏粒子，在達到一定距離後也會失去作用。大氣干擾也會破壞量子糾纏。

　　“為了解決這個問題，一個比較好的方法就是探索衛星平臺和基於外太空的網路”，因為太空基本上是空的，不太會干擾量子糾纏，研究作者寫道，“該研究首次建立了地面到太空的聯絡，可用於進行超遠距離量子隱形傳輸，傳輸資訊保真。這是推進全球量子網際網路形成的關鍵一步。”

　　為確保此次試驗能夠成功，科研人員使用的是位於西藏阿里的地面站。地面站緯度較高，與墨子號衛星之間的空氣量達到了最少。墨子號衛星於2016年發射，裝有非常敏感的光子探測器。此次試驗進一步證明，糾纏粒子可以完好地發射到外太空。

　　為實現粒子糾纏，科研人員使用一種特殊的晶體材料，向其發射紫外線鐳射，從而產生相反的極化態光子，但是一對粒子分別屬於哪一極尚不可知。（極化與偏光太陽鏡透過過濾太陽光從而提高對比度的原理相類似）這樣做可以產生叫做量子位元的物質。

　　鏡面將鐳射束分成兩半，也將糾纏狀態下的光子對分開。該試驗以每秒4080對的速度製造出光子對，然後將一個光子留在地面，另一個光子發射到墨子號衛星。

　　工程師採取了各種防範措施，以保證衛星可以在適當的時間檢測到糾纏的光子對，保持地面站有較強的訊號。

　　例如，擋住月球的光，跟蹤多顆恆星以確定其在軌道中的準確位置，保持低溫操作——因為溫暖的物體會釋放出紅外光——並保證墨子號每晚在同一時間路過近地端。精準的計時器也可以與裝置保持同步，從而預測出每個離開路面站地的粒子何時可以到達衛星。

　　衛星在遠地端飛行時距離地面站870英里，在近地端飛行時則只有310英里。

　　科學家觀測，經過約32個夜晚，共有911對光子能夠進行量子傳輸。對於發射出去的數百萬光子對來說，這一數字不算多，但這仍然是一個巨大的突破。

　　如果使用光纖做類似的實驗，“我們推測還要等3800億年（宇宙年齡的20倍）才能見證這一成果”研究作者寫道。

　　未完成的工作

　　但是形成公共量子網際網路，並使之執行起來就沒有推算數字那麼簡單了。

　　雖然目前已建立起一些小型的量子網路，但它們使用的都是光纖，不是衛星，而且還要藉助傳統的計算機才能保證速度和安全。

　　要建成全球的量子網際網路，中國及其他實體必須想辦法提高量子網際網路訊號的保真度。我們還需要價格合理、可靠並且有商業價值的量子計算機和量子路由器，才能充分發揮量子網際網路的速度和安全效能。

　　就安全而言，必須有人研究出“量子金鑰”，保證量子位元可以安全地來往於外太空。量子金鑰將淘汰其他所有形式的金鑰，因為它是在自然形態下隨機產生的，所以無法被攻破。（如果竊聽量子加密的資料，量子糾纏就會遭到破壞，從而自動報錯。）

　　戴維斯認為，這些技術還要等很多年才能實現。一旦形成，所有人都會從中受益，不只是我們的全球公共網路會得到改善。

　　“我們現在所做的一切都會越來越好”他說，“膝上型電腦的速度會更快，在Netflix上下載會更快，原本用10個小時下載的內容可能10秒鐘就可以完成。世界上每家醫院都可能有你完整的病歷，而且也非常安全。”

　　更重要的是——“每趟航班，航空公司賣出的機票都能和座位數是一致的。”

　　作者：Dave Mosher

　　本文由世界經濟論壇與Business Insider聯合釋出

　　(2017-08-15)

　　出品：科普中國

　　製作：中國科學技術大學 郭光燦 中國科普博覽

　　監製：中國科學院計算機網路資訊中心

　　中國科學院日前召開新聞釋出會，宣佈量子科學實驗衛星“墨子號”在國際上首次成功實現從衛星到地面的量子金鑰分發和從地面到衛星的量子隱形傳態，兩項成果於8月10日同時線上發表在國際權威學術期刊《自然》雜誌上。

　　至此，“墨子號”提前圓滿實現全部三大既定科學目標，為我國在未來繼續引領世界量子通訊技術發展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學與技術基礎。

　　量子號科學實驗任務（來源網路）

　　我們知道量子衛星有三大任務：透過量子衛星實現衛星和地面的量子金鑰分發，從而實現廣域的量子保密通訊；對量子力學本身的基本原理進行檢驗的實驗任務；連線中國和奧地利之間的量子通訊網，以證明全球規模的量子通訊網路設想是可行的。

　　我們知道量子通訊作為迄今為止唯一被嚴格證明是無條件安全的通訊方式，在金融、軍事和政務等領域的應用前景得到了世界各國的廣泛關注，那麼這種保密措施透過何種方式實現？本次達成的量子金鑰分發成就與量子通訊又有什麼關係？

　　量子金鑰分發是什麼？

　　保密通訊是密碼學的重要內容，其基本原理是採用金鑰（0，1的隨機數列）透過加密演算法將甲方要傳送的資訊（明文）變換成密文，在公開通道上傳送到合法使用者乙方處，乙方採用金鑰從密文中提取所要的明文。

　　量子密碼（圖片來源於網路）

　　如果甲乙雙方採用相同的金鑰（即）則稱為對稱密碼或私密密碼。如果相反，則稱為非對稱密碼或公開密碼，其中公開金鑰只為乙方私人擁有。如果任何竊聽者在不知曉金鑰卻可以從秘文提取出明文，則這種密碼體系是不安全的。

　　金鑰使用流程（來源網路）

　　那麼有沒有令所有專家都無法破解的密碼？有！

　　早在上世紀四十年代，著名的資訊理論鼻祖夏農採用資訊理論嚴格證明，如果金鑰長度與明文長度一樣長，而且用過後不再重複使用，則這種密文是絕對無法破譯的，俗稱為“一次一密”。

　　那麼為何這種“一次一密”的密碼未被推廣使用呢？原來 “一次一密”要大量消耗“金鑰”，需要甲乙雙方不斷地更新密碼本，而“密碼本”的傳送（稱為“金鑰分發”）本質上是不安全的。採用不安全的金鑰來實施“一次一密”加密仍然是不安全的。

　　那麼是否有什麼辦法可以確保金鑰分發是安全的？

　　有，這就是“量子金鑰分發”（縮寫為“QKD”）！

　　量子金鑰分發的優勢

　　“量子金鑰分發”應用到量子力學的基本特性（如量子不可克隆性，量子不確定性等）來確保任何企圖竊取傳送中的金鑰都會被合法使用者所發現，這是QKD比傳統金鑰分發所具有的獨特優勢，後者原則上難於判斷手頭的密碼本是否已被竊聽者複製過。

　　QKD的另一個優點是無需儲存“密碼本”，只是在甲乙雙方需要實施保密通訊時，實時地進行量子金鑰分發，然後使用這個被確認是安全的金鑰實現“一次一密”的經典保密通訊，這樣可避開儲存密碼本的安全隱患。

　　量子金鑰分發的過程

　　量子金鑰分發的過程大致如下：單個光子通常作為偏振或相位自由度的量子位元，可以把欲傳遞的0，1隨機數編碼到這個量子疊加態上，比如，事先約定，光子的圓偏振代表1，線偏振代表0。光源發出一個光子，甲方隨機地將每個光子分別製備成圓偏振態或線偏振態，然後發給合法使用者乙方，乙方接收到光子，為確認它的偏振態（即0或1），便隨機地採用圓偏光或線偏光的檢偏器測量。

　　如果檢偏器的型別恰好與被測的光子偏振態一致，則測出的隨機數與甲所編碼的隨機數必然相同，否則，乙所測得的隨機數就可能與甲方發射的不同。乙方把甲方發射來的光子逐一測量，記錄下測量的結果。然後乙方經由公開通道告訴甲方他所採用的檢偏器型別。

　　這時甲方便能知道乙方檢測時哪些光子被正確地檢測，哪些未被正確地檢測，可能出錯，於是他告訴乙方僅留下正確檢測的結果作為金鑰，這樣雙方就擁有完全一致的0，1隨機數序列。

　　量子金鑰分發圖示（來源網路）

　　如果有竊聽者在此過程中企圖騙取這個金鑰，他有兩種策略：一是將甲發來的量子位元克隆後發給乙方。但量子不可克隆性確保竊聽者無法克隆出正確的量子位元序列，因而也無法獲得最終的金鑰。

　　另一種是竊聽者隨機地選擇檢偏器，測量每個量子位元所編碼的隨機數，然後將測量後的量子位元冒充甲方的量子位元傳送給乙方。按照量子力學的假定，測量必然會干擾量子態，因此這個“冒充”的量子位元與原始的量子位元可能不一樣，這將導致甲乙雙方最終形成的隨機數序列出現誤差，他們經由隨機比對，只要發現誤位元速率異常地高，便知有竊聽者存在。

　　量子金鑰分發和量子通訊的關係

　　上述的保密通訊，實質上是“一次一密”的經典通訊，只是金鑰是由QKD生成的，通常也稱為量子保密通訊。

　　量子密碼是量子通訊嗎？答案是否定的！

　　所謂“通訊”簡單地說就是傳遞資訊（即“明文”）。量子密碼只是傳送經典隨機數而已，不包含有任何資訊內容，因此，與“通訊”無關。量子保密通訊實際上包括由QKD生成的安全密碼和“一次一密”經典通訊兩個部分，本質上仍然是經典通訊。

　　真正的“量子通訊”有其確切的內涵，即將資訊編碼在量子位元上，在量子通道上將量子位元從甲方傳給乙方，直接實現資訊的傳遞。那麼這種真正的“量子通訊”離我們究竟還有多遠？

　　開啟量子通訊新時代

　　隨著量子衛星的發射升空和下半年“京滬幹線”的完工，中國的廣域量子通訊體系為率先建成全球化的量子通訊衛星網路奠定了基礎，“天地一體化”的量子通訊網路即將鋪就，歷經30餘年的量子資訊研究也將步入深化應用的時代。也許就在不遠的將來，量子通訊技術將如同手機、電腦一般，走入尋常百姓家。

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　　本文由科普中國融合創作出品，轉載請註明出處。

　　(2017-08-11)

　　引言：中國科學技術大學潘建偉教授，及同事彭承志、張強等組成的研究小組，在國際上首次成功實現了白天遠距離(53km)自由空間量子金鑰分發。

　　最近，來自於中國科學技術大學的潘建偉教授，以及同事彭承志、張強等組成的研究小組，在青海湖相距53公里的兩點間，完成了白天陽光背景下的量子金鑰分發實驗。透過地基實驗，在通道損耗和噪聲水平方面，有效驗證了未來構建基於量子星座的星地、星間量子通訊網路的可行性。

　　國際權威性學術期刊《自然·光子學》，在不久前也刊登了這一成果。

　　基於衛星平臺的量子通訊是構建，全球量子通訊網路最為可行的方法。全球首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，目前已經成功實現了首次星地量子通訊，為未來開展大尺度量子網路和量子通訊實驗研究奠定了技術基礎。但是，由於陽光噪聲的影響，“墨子號”衛星只能在夜晚工作，這樣一來至少需三天才能完成全球範圍內地面站點的覆蓋。

　　為抑制白天陽光背景噪聲，潘建偉團隊從三個方面發展關鍵技術：

　　1、陽光背景噪聲主要包括太陽光直射部分和經大氣分子散射部分，太陽光譜中1550奈米波段光子成分較低，大氣散射對該波段散射也較小，利用這個特點採用1550奈米波段光子開展實驗，最佳化光學系統，將噪聲降低超過一個數量級；

　　2、發展頻率上轉換單光子探測技術，在保持單光子高效探測的同時，實現了光譜維度的窄帶濾波，降低噪聲約兩個數量級；

　　3、發展自由空間光束單模光纖耦合技術，實現了高效耦合和空間維度的窄視場濾波，降低噪聲約兩個數量級。

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　　(2017-07-26)