古希臘時(shí)期,斯巴達(dá)人利用卷紙的滾筒,將看似無(wú)序的文字變成有序信息;世界大戰(zhàn)中,將士們使用密碼本,將密文翻譯成明文;當(dāng)今,人們通過(guò)密鑰,加密和解密信息。人類(lèi)使用密碼的歷史,幾乎和文字的歷史等長(zhǎng)。

然而,歷史上所有的密碼系統(tǒng),都無(wú)法做到“不可破解”,直到量子通信技術(shù)的出現(xiàn):在量子密鑰通信領(lǐng)域,“無(wú)條件”安全,這個(gè)看似不可能達(dá)到的目標(biāo),已經(jīng)被實(shí)現(xiàn)并開(kāi)啟應(yīng)用。量子通信,正引發(fā)一場(chǎng)顛覆信息產(chǎn)業(yè)的革命。

國(guó)盾量子,是這場(chǎng)通信革命中絕對(duì)的“領(lǐng)頭羊”:中科大量子信息研究團(tuán)隊(duì)加持,中國(guó)“量子之父”潘建偉持股,杭州G20峰會(huì)和“抗戰(zhàn)勝利七十周年閱兵”的量子安全保障單位……

那么,究竟什么是量子通信?作為量子通信第一股的國(guó)盾量子,發(fā)展前景究竟如何?

量子通信 絕對(duì)安全

當(dāng)今社會(huì)應(yīng)用最多的密碼系統(tǒng),是基于復(fù)雜算法的公鑰密碼體制。所謂“密鑰”,就是明文和密文之間轉(zhuǎn)換的“鑰匙”,由公鑰和私鑰兩把“鑰匙”構(gòu)成。其中,公鑰是經(jīng)過(guò)信息傳輸系統(tǒng)的、可被公開(kāi)的“鑰匙”,能將明文轉(zhuǎn)成密文。私鑰是非公開(kāi)的、最為關(guān)鍵的“鑰匙”,能夠把密文翻譯成明文。私鑰一旦泄露,就意味著信息泄露。

兩把“鑰匙”之間,通過(guò)復(fù)雜的算法聯(lián)結(jié)。也就是說(shuō),一旦有人獲取了公開(kāi)的公鑰,倒推算法,理論上是能夠推導(dǎo)出私鑰的。但人們通過(guò)將公鑰數(shù)字放大,使計(jì)算機(jī)算力無(wú)法企及。當(dāng)數(shù)字到達(dá)1MB量級(jí)的時(shí)候,以當(dāng)前的普通計(jì)算機(jī)算力,幾十年也得不到解。

然而,量子計(jì)算的出現(xiàn),將嚴(yán)重威脅傳統(tǒng)密碼系統(tǒng)。2019年,谷歌宣布,其所研究的量子計(jì)算機(jī)僅需3分20秒,就可完成全球最快超級(jí)計(jì)算機(jī)“頂點(diǎn)”需一萬(wàn)年才能完成的計(jì)算。這代表人類(lèi)對(duì)計(jì)算機(jī)算力的巨大突破。盡管尚不能解決實(shí)際問(wèn)題,但可以想象,在不久的將來(lái),量子計(jì)算機(jī)將在分秒之內(nèi)破解重要密碼,全線瓦解當(dāng)前密碼系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)密碼系統(tǒng)不同,量子通信技術(shù)并不能被量子計(jì)算機(jī)威脅。毫不夸張地說(shuō),量子通信可以做到“絕對(duì)安全”。

量子密鑰通信的原理與傳統(tǒng)密碼系統(tǒng)大同小異,不過(guò)密鑰不再是通過(guò)算法形成的特定參數(shù),而是一串“量子比特”。量子比特類(lèi)似于二維空間的單位向量,是衡量單個(gè)光子偏振方向的指標(biāo),由簡(jiǎn)單的1和0構(gòu)成。構(gòu)成光最小單位的“光子”,本質(zhì)是電磁波,在平面上會(huì)出現(xiàn)90°、0°等偏振方向。

(圖片來(lái)源:墨子沙龍Sheldon漫畫(huà)工作室)

接收者通過(guò)測(cè)試發(fā)送者傳來(lái)的一系列光子偏振方向,將光子狀態(tài)翻譯成由1和0構(gòu)成的量子比特?cái)?shù)列,從而得到原始密鑰。接著,接收者和發(fā)送者只要核對(duì)原始密鑰信息,便能得知有無(wú)第三者竊聽(tīng)。核對(duì)一致,說(shuō)明信息傳輸絕對(duì)安全,便可放心地使用密鑰加密和解密信息。

為何密鑰核對(duì)一致就能證明無(wú)人竊聽(tīng)呢?這是由量子的兩個(gè)著名原理決定:“海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理”和“量子態(tài)不可克隆原理”。

測(cè)不準(zhǔn)原理,意味著接收器對(duì)光子偏振方向的測(cè)量,會(huì)反過(guò)來(lái)改變光子的偏振方向。也就是說(shuō),任何竊聽(tīng)者只要嘗試對(duì)攔截的密鑰信息進(jìn)行破譯,都會(huì)導(dǎo)致信息本身被破壞,使最終的接收方和發(fā)出方核對(duì)的信息不一致。那么,竊聽(tīng)者可否在破譯密鑰信息之前,復(fù)制完全一樣的密鑰傳送給接收方呢?答案也是不能。

量子態(tài)不可克隆原理是說(shuō),量子特殊的“疊加狀態(tài)”,使其不可復(fù)制。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),如果你創(chuàng)造了一個(gè)量子態(tài),外界是不可能通過(guò)簡(jiǎn)單的復(fù)制粘貼,克隆出完全相同的量子態(tài)來(lái)。

兩大原理,讓竊聽(tīng)者無(wú)處遁形,使量子通信做到了“無(wú)條件”安全。因?yàn)榇颂匦?量子通信被各國(guó)上升到國(guó)家戰(zhàn)略高度。美、日、韓等國(guó)不惜巨額投入,希望在這場(chǎng)量子爭(zhēng)霸賽中奪取更多話語(yǔ)權(quán)。

2018年,特朗普簽署了《國(guó)家量子計(jì)劃法案》,擬在5年內(nèi),投資12．75億美元用于量子技術(shù)研究;歐盟頒布了量子技術(shù)旗艦計(jì)劃,投資10億歐元構(gòu)建歐洲量子安全網(wǎng)絡(luò);德國(guó)政府簽署《量子技術(shù):從基礎(chǔ)到市場(chǎng)》,擬投入6．5億歐元研究量子通信、計(jì)算等領(lǐng)域;日、韓、俄羅斯等國(guó)也紛紛出臺(tái)了各自的量子通信規(guī)劃。

中國(guó)對(duì)量子通信技術(shù)的重視不言而喻。2015年,量子通信被納入“十三五”規(guī)劃中體現(xiàn)國(guó)家戰(zhàn)略意圖的重大科技項(xiàng)目;2016年,國(guó)務(wù)院特別強(qiáng)調(diào)將量子通信列入“面向2030年國(guó)家科技創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)”;近兩年,發(fā)改委、工信部等部門(mén),頻頻出臺(tái)政策,支持量子通信技術(shù)發(fā)展。

國(guó)家的大力支持,使我國(guó)量子通信技術(shù)全球領(lǐng)先。目前,中國(guó)是唯一能實(shí)現(xiàn)量子通信大規(guī)模應(yīng)用落地的國(guó)家�！熬�滬干線”、“武合干線”等量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的建成,意味著我國(guó)已率先進(jìn)入廣域網(wǎng)階段。政務(wù)、金融等國(guó)計(jì)民生行業(yè),已將系統(tǒng)接入量子通信網(wǎng)。相比之下,他國(guó)通信產(chǎn)品尚在示范性應(yīng)用階段,遠(yuǎn)距離量子通信網(wǎng)尚未建成。

2016年,中國(guó)發(fā)射世界首顆量子通信衛(wèi)星“墨子”,成功實(shí)現(xiàn)星-地量子通信,引起全球轟動(dòng)。該項(xiàng)技術(shù)的突破不僅讓我國(guó)量子通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋到了光纖無(wú)法覆蓋的地區(qū),如南海諸島、駐外使領(lǐng)館、遠(yuǎn)洋艦艇等,更將助力我國(guó)構(gòu)建覆蓋整個(gè)地球的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)。

“國(guó)之重器” 前景廣闊

中國(guó)在量子通信領(lǐng)域取得領(lǐng)先優(yōu)勢(shì),國(guó)盾量子功不可沒(méi)。

在“京滬干線”、“武漢干線”等骨干網(wǎng)和北京、上海等多個(gè)城域網(wǎng)中,國(guó)盾量子的產(chǎn)品,被廣泛用于網(wǎng)絡(luò)的量子密鑰分發(fā)。截至2018年末,我國(guó)已建成的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)光纜總長(zhǎng)已達(dá)7000余公里,其中超過(guò)6000公里使用了國(guó)盾量子提供的產(chǎn)品,且已經(jīng)在線運(yùn)行。

在設(shè)備工作距離和組網(wǎng)能力等核心指標(biāo)上,國(guó)盾量子的密鑰分發(fā)設(shè)備,已經(jīng)代表了世界最領(lǐng)先水平�！熬�滬干線”中,國(guó)盾量子的設(shè)備最遠(yuǎn)部署距離已超過(guò)89KM,全球尚未有企業(yè)能夠突破。在“墨子號(hào)”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的星-地連接中,公司產(chǎn)品舉足輕重,在網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行數(shù)量達(dá)400臺(tái)之多。而歐洲、東京等地,骨干網(wǎng)的量子設(shè)備尚只有十余臺(tái)。

卓越的技術(shù),讓國(guó)盾量子在多項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定中,起到了牽頭作用。在量子網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等領(lǐng)域,國(guó)盾量子牽頭或參與了4項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定,有效助力中國(guó)在量子通信領(lǐng)域話語(yǔ)權(quán)的提升�！皣�(guó)之重器”,彰顯了中國(guó)力量。

在政務(wù)、金融等安全性要求較高的行業(yè),國(guó)盾量子產(chǎn)品已初步實(shí)現(xiàn)規(guī)�；瘧�(yīng)用。

政務(wù)領(lǐng)域,十九大、G20峰會(huì)、抗戰(zhàn)70周年閱兵式等國(guó)家重大活動(dòng)中,量子保密通信技術(shù)發(fā)揮了重要作用;金融領(lǐng)域,央行人民幣跨境支付管理系統(tǒng)、企業(yè)網(wǎng)銀等均使用了量子加密技術(shù);電力領(lǐng)域,國(guó)家電網(wǎng)江蘇、浙江等多省市電力系統(tǒng)已接入量子通信網(wǎng)絡(luò)。

盡管已有成功應(yīng)用案例,但受限于高成本、缺乏技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等因素,量子通信還不具備普惠大眾的基礎(chǔ)。一方面,量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)在光纖網(wǎng)的單跨段傳輸距離在百公里以內(nèi),長(zhǎng)距離運(yùn)輸將增加設(shè)備部署成本,使技術(shù)難以普及到價(jià)格敏感的民用領(lǐng)域;另一方面,量子通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系仍在建設(shè)當(dāng)中,行業(yè)亟需出臺(tái)規(guī)范,為商用提供制度保障。

國(guó)盾量子近些年來(lái),一直不遺余力往這些方向努力。三年內(nèi),國(guó)盾量子密鑰分發(fā)產(chǎn)品不僅價(jià)格下降近50%,并且在工作距離、傳輸速度等性能指標(biāo)上,有顯著提升。目前,公司產(chǎn)品在原則上已能適應(yīng)大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,處在大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的推廣階段。2016至2018年,公司營(yíng)業(yè)收入和利潤(rùn)隨著產(chǎn)品的持續(xù)推進(jìn)保持相對(duì)穩(wěn)定。

量子通信技術(shù)一旦突破成本等因素限制,進(jìn)入大規(guī)模商用階段,前景將廣闊無(wú)比。根據(jù)英國(guó)政府發(fā)布的報(bào)告,量子保密通信短期內(nèi)會(huì)在政府、國(guó)防等重要民生領(lǐng)域應(yīng)用,而后擴(kuò)展至各類(lèi)企業(yè),在云和大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的信息傳輸中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。長(zhǎng)期隨著規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大,個(gè)人網(wǎng)絡(luò)接入成本降低,量子通信技術(shù)將在海量終端設(shè)備中爆發(fā)。

量子通信技術(shù)革命的槍聲已經(jīng)響起,國(guó)盾量子作為領(lǐng)頭羊,潛力巨大。

新科技出現(xiàn)之處,總伴隨著此起彼伏的質(zhì)疑聲,唯有堅(jiān)信者不懈鉆研,直至改變世界。作為這場(chǎng)量子通信技術(shù)革命中最堅(jiān)定的踐行者,國(guó)盾量子日復(fù)一日的默默耕耘已經(jīng)取得全球性的技術(shù)突破。我們期待國(guó)盾量子通信技術(shù)進(jìn)一步突破,直至改變整個(gè)世界信息傳輸方式的那一天。