◎實(shí)習記者 李詔宇

　　“夫事以密成，語(yǔ)以泄敗。”從古時(shí)候賢君名臣的權爭往事，到近現代大國之間的縱橫捭闔，在信息傳遞過(guò)程中，泄密一直是人們廣泛關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。

　　如果一種通信方式能夠實(shí)現快速、穩定、無(wú)損耗，那么龐培不會(huì )敗走法薩盧斯，馬謖也不會(huì )失街亭，歷史上無(wú)數由信息傳遞失誤導致的事件都將得以避免。

　　古人不幸今人幸。可能成功解決問(wèn)題的手段，既非鴻雁傳書(shū)，也非魚(yú)傳尺素，而是一個(gè)看似神秘的概念——量子通信。

　　6月25日至27日，世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì )數字文明尼山對話(huà)在山東舉辦。成果展上，于2022年發(fā)射升空的“濟南一號”量子微納衛星吸引了眾多目光。隨著(zhù)量子通信在應用領(lǐng)域越走越遠，我們不禁開(kāi)始構想：量子通信將帶領(lǐng)人類(lèi)走向怎樣的未來(lái)？量子衛星在其中扮演著(zhù)怎樣的角色？

　　量子通信竊聽(tīng)難

　　作為量子通信的基礎概念之一，量子在近年來(lái)的各種科幻作品中出鏡率很高，但想要精確地定義它并不容易。

　　中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng )新研究院教授級高級工程師廖勝凱介紹，量子是現代物理的重要概念，即一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個(gè)物理量是量子化的，最小單位被稱(chēng)為量子。

　　“量子的概念由德國物理學(xué)家普朗克提出，最早被用于解釋黑體輻射這種能量現象。”廖勝凱表示，“后續的實(shí)驗表明，諸如角動(dòng)量、電荷、能量等其他的物理量也具有不連續變化的量子化現象，超出牛頓經(jīng)典力學(xué)理論框架的量子力學(xué)也就隨之產(chǎn)生。”

　　廖勝凱介紹，相比于牛頓經(jīng)典力學(xué)，量子力學(xué)具有如下特征：不確定性、測量坍縮性和不可克隆性。這三大特征也成了量子通信能夠實(shí)現的理論基礎。

　　量子通信的研究?jì)热葜痪褪橇孔用荑€分發(fā)。“基于計算復雜性的傳統加密技術(shù)，在原理上存在著(zhù)被破譯的可能性，其破譯的困難程度只取決于計算力的強大與否。隨著(zhù)數學(xué)和計算能力的不斷提升，經(jīng)典密碼被破譯的可能性與日俱增。”廖勝凱說(shuō)，“而與經(jīng)典通信不同，量子密鑰分發(fā)的安全性基于物理學(xué)基本原理，與計算復雜度無(wú)關(guān)。通過(guò)量子態(tài)的傳輸，在遙遠兩地的用戶(hù)共享安全的密鑰，利用該密鑰對信息進(jìn)行一次一密的嚴格加密，這是目前人類(lèi)唯一已知的不可竊聽(tīng)、不可破譯的原理上無(wú)條件安全的通信方式。”

　　量子通信的另一重要內容是量子隱形傳態(tài)。量子隱形傳態(tài)利用量子糾纏，可以將粒子的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠地點(diǎn)，而不用傳送粒子本身。量子隱形傳態(tài)是構建分布式量子信息處理網(wǎng)絡(luò )和量子計算機的基本要素。

　　采用衛星傳信息

　　“工欲善其事，必先利其器。”無(wú)線(xiàn)電通信等傳統通信方式要求基站等有關(guān)設備的支持。量子通信作為一種先進(jìn)的通信手段，自然也離不開(kāi)諸多先進(jìn)的設備。既然量子通信通常采用單光子作為信息傳遞的物理載體，人們不禁想到，直接連接一條光纖是否足以滿(mǎn)足遠距離量子通信的需要呢？

　　答案顯然是否定的。損耗問(wèn)題成了光纖法不可行的癥結所在。“量子具有不可克隆原理，因此單光子量子信息不能像經(jīng)典通信那樣被放大。一旦傳輸距離較遠，損耗問(wèn)題就會(huì )變得極其嚴重。”廖勝凱指出，“根據數據測算，通過(guò)1200公里的光纖，即使有每秒百億發(fā)射率的單光子源和完美的探測器，也需要數百萬(wàn)年才能傳輸一個(gè)比特的密鑰，這顯然是完全不現實(shí)的。”

　　1200公里的光纖或許尚可制造，但每秒百億發(fā)射率的單光子源以及完美的探測器都不是目前技術(shù)等現實(shí)條件所能企及的，更何況人們也不可能等待數百萬(wàn)年來(lái)傳輸信息。科學(xué)家們被迫尋找其他解決問(wèn)題的方向。

　　既然地面走不通，上天就成了一個(gè)可能的選擇。“利用外太空幾乎真空、光信號損耗非常小的特點(diǎn)，通過(guò)衛星的輔助可以大大擴展量子通信的距離。” 廖勝凱表示，“此外，由于衛星具有方便覆蓋整個(gè)地球的獨特優(yōu)勢，使用衛星進(jìn)行量子通信是全球尺度上實(shí)現超遠距離實(shí)用化量子通信最有希望的途徑之一。”

　　廖勝凱介紹，按照軌道的高度劃分，量子衛星可以分為低軌衛星(2000公里以下)、中軌衛星(2000—20000公里)和高軌衛星(20000公里以上)三種。“這些衛星上搭載了一些量子通信的器件，可以完成量子通信的某些任務(wù)，因此被稱(chēng)為量子衛星。” 廖勝凱說(shuō)。

　　量子衛星同樣可以按照重量劃分，分為小衛星(100—500kg)、微衛星(10—100kg)、納衛星(1—10kg)、皮衛星(0.1—1kg)、飛衛星(10—100g)。“一般來(lái)說(shuō)，衛星越小，發(fā)射成本越低，性?xún)r(jià)比也就越高。”廖勝凱說(shuō)。

　　廖勝凱指出，量子衛星的一個(gè)重要作用是作為中繼擴展量子通信的距離，從而實(shí)現遠距離、高難度的通信。“用于量子通信的地面基站(即可信中繼)一般需要數十公里就布設一個(gè)，成本高且維護不易。如果采用衛星傳遞信息，一切問(wèn)題都將迎刃而解。”廖勝凱說(shuō)。

　　美好未來(lái)可期待

　　盡管量子衛星功能十分強大，但要想真正起到對廣域量子通信的支撐性作用，僅僅依靠一顆量子衛星顯然是不夠的。需要更多的量子衛星團結協(xié)作，形成衛星組網(wǎng)。

　　廖勝凱介紹，通常來(lái)說(shuō)，實(shí)現衛星組網(wǎng)有兩類(lèi)解決方案。一類(lèi)是依靠大量的低軌衛星構成實(shí)時(shí)覆蓋的網(wǎng)絡(luò )。銥星計劃、星鏈計劃等均屬于此類(lèi)。“低軌衛星經(jīng)過(guò)地面站的通信時(shí)間往往僅有數分鐘，因此需要數百乃至數萬(wàn)顆衛星。”廖勝凱說(shuō)。

　　另一類(lèi)則主要靠中高軌衛星，如相對地面靜止的地球同步軌道衛星。“地球同步軌道大約為36000千米高，也就是目前廣播電視衛星、常規通信衛星所處的軌道。”廖勝凱表示，“一般來(lái)說(shuō)，三顆地球同步軌道衛星即可完成全球范圍覆蓋。”

　　廖勝凱介紹，通常來(lái)說(shuō)，低軌衛星軌道低、信號強、傳輸速率高，但是過(guò)境時(shí)間短，傳輸的信息量少；高軌衛星軌道高、信號弱、傳輸速率低，但是傳輸時(shí)間長(cháng)，幾乎可以全天時(shí)工作，傳輸的信息量大；中軌道衛星則處在高軌衛星和低軌衛星之間，兼有兩者的特點(diǎn)。

　　“具體采用哪種形式的衛星，應根據需要選擇。在一個(gè)采用衛星建立的量子網(wǎng)絡(luò )中，往往需要綜合利用三種類(lèi)型的衛星。”廖勝凱表示。在量子衛星的加持下，量子通信已經(jīng)取得了極大的進(jìn)步。但在廖勝凱看來(lái)，想要真正實(shí)現大規模的應用，需要在政策與技術(shù)兩方面繼續努力。

　　從技術(shù)上看，量子通信還應該朝著(zhù)提高碼率、提升距離、降低成本等方面發(fā)展。“目前量子通信的成熟產(chǎn)品成碼率還較低，通常僅能達到數千比特每秒(kbps)的水平，需要和對稱(chēng)密碼算法結合使用，實(shí)現大數據率加密保護；另一方面，成熟產(chǎn)品的成本較高，不利于大規模推廣應用。”廖勝凱介紹。

　　從政策上看，作為密碼技術(shù)中密鑰分發(fā)或者密鑰協(xié)商的一種方式，量子通信需要滿(mǎn)足密碼應用的合規性，形成行業(yè)標準，之后才能廣泛應用推廣。“雖然通過(guò)近十年的努力，國內外初步形成和發(fā)布了一些標準，但還需加大支持力度，形成完備的體系并完善測評認證能力，才能支持規模化應用。”廖勝凱說(shuō)。

　　盡管面臨一些挑戰，但量子通信所能帶來(lái)的未來(lái)無(wú)疑是極其令人向往的。“設想一下，在未來(lái)每個(gè)人的隱私都能得到有效保護，千萬(wàn)里無(wú)損傳信也會(huì )易如反掌。”廖勝凱表示，“我始終相信，量子通信將帶領(lǐng)人類(lèi)走向一個(gè)更加美好的未來(lái)！”