从 “天地一体”到 “挪动组网”，中国量子通信产业链已具备领先优点

近一两年里，伴随着相关量子高新科技的报导愈来愈多地发生在眼下，大家也许再也不会只是滞留在 “遇事不决，量子结构力学”的认知水平了。

我们知道，量子高新科技关键包含量子测算和量子通信两大技术领域。与处于发展环节的量子测算不一样，量子通信技术性早就完成了基础理论的认证，早已进到迅速产业发展运用的环节。

近期，在我国在量子通信行业又获得了一些重要进度。1 月初，中国科大公布取得成功完成超越 4600 千米的星地量子密匙派发，这意味着大家基础搭建起乾坤一体化多源量子通信网，也证实了多源量子保密性通讯技术基本具有规模性运用的完善标准。

随后，南京大学的科学研究精英团队取得成功根据多架无人飞机上空组队，初次应用电子光学无线中继，在2个距离 1 公里的地面站中间完成纠缠不清光量子派发，完成多节点挪动量子组网方案。试验的取得成功代表着我们在量子通信互联网上拥有更多种多样的应用领域挑选。

（以无人飞机为挪动连接点的光无线中继纠缠不清遍布试验提示）

显而易见，不论是多源量子通信网的完工，還是挪动量子互联网的取得成功试验，针对很多人来讲，总是不知所云。因而，假如想弄清楚之上这种量子通信技术性究竟有什么 “认可度”，又对在我国的量子通信产业链拥有如何的危害，依然非常值得我们去做一番细腻讲解。但是，在回应这两个难题以前，最先必须先向 “量子通信”自身做一下简易详细介绍。

量子通信：将信息数据加密开展究竟

信息通讯技术在今天的必要性早已不容置疑。5G，做为新一代移动通信技术技术性，已经广泛运用在大家的日常日常生活，比较之下，量子通信還是一个十分时尚潮流但又让平常人不知所以的存有。

量子通信究竟是什么原因，对大家大家的日常生活有什么危害呢？

简易而言，量子通信归属于量子信息科学研究的一大支系。量子信息科学研究，说白了是由量子结构力学和信息科学研究构成的交叉科学。依照信息科学研究中 “测算”和 “通讯”两大主题风格，量子信息科学研究的科学研究也分成 “量子测算”和 “量子通信”。量子通信便是运用量子结构力学特点开展信息传送的新式通信方式。

第一个难题，信息通讯技术为什么必须跟量子结构力学 “纠缠不清”在一起呢？

针对信息通讯，尤其是长距离信息通讯而言，一直要处理的几大难点。

第一大难点是信息传送的高效率，包含传输速率和准确度，这种由一系列持续演变的技术性来确保，从最开始的烽火台、到旗语，再到传真的摩斯码、有线电话、光缆电缆通讯、移动互联网这些。这些大家都很了解，不会再过多阐释。

第二个难点便是信息传送的安全系数，也就是信息数据加密通讯的难题。信息数据加密通讯的必要性，平常人很有可能沒有切身体会。第二次世界大战期内，恰好是因为英国政府破译了二战德军应用的一种称为没法破解的恩尼格码密码机，进而大大的扭曲了二战欧洲战场的对局，加快了法国的兵败。现如今，数据加密通讯也是变成了互联网技术、金融业、国防等基本上全部必须信息通讯的情景的基础。

在量子通信发生之前，传统式的数据加密通讯仅有二种方法：

一种信息加密算法是 “对称性登陆密码体制”。传送彼此把握同一套密匙，传送方用密匙将密文转化成保密，接受方用它将保密转换回全文。彼此共享资源的这一套密匙换句话说密码本，假如第三方不把握密码本，理论上基础始终没法破解这套数据加密信息。可是密匙会必须一个太阳龙宝宝来开展传送，在抗日战争时期，地下工作者的一个工作中便是当做太阳龙宝宝来传送密码本的。这儿会发生2个安全隐患，一个便是太阳龙宝宝背叛，一个是密码本被捕获，只需第三方把握了密码本，那麼数据加密信息就等因此 “密文”信息了。

为了更好地摆脱这类难题，一位数学家创造发明了第二种信息加密算法——“非对称加密登陆密码体制”，换句话说 “公匙登陆密码体制”。仅有接受方手上有一套 “加密锁”（公匙）和 “破译锁匙”（公钥），接受方能够把开启的 “加密锁”公布出来，所有人，包含推送方都能够公布获得。推送方只必须把信息用 “加密锁”锁上发给接受方，接受方再用自身的 “破译锁匙”开启 “加密锁”，就能得到信息。

“加密锁”，事实上仅仅一道 “因数分解”的算术题，是由三位姓名首写为 R、S、A 的一位数学家创造发明的公匙登陆密码体制，如今也是世界最常见的登陆密码管理体系。这套登陆密码体制的优点取决于，生产制造登陆密码非常简单，改密码很艰难。第三方泄密者要想破译一个公匙登陆密码，用全球更快的电子计算机去测算，少则必须数万年，更多就是几十亿年。这就要改密码变成一个实际上不可能的事情。

可是在理论上，只需处理速度贼快，RSA 登陆密码被破译便是一下子的事儿了，而正好量子电子计算机能够根据量子比特犬的特点将破译因数分解的速率提高好几个量级，可以随便摆脱因数分解设定的测算难点。例如，溶解一个 300 位和 5000 位的因素，量子优化算法能够将原先必须的 15 萬年降低到不够 1 秒，从原先的 50 亿光年降低到 2 分鐘。尽管如今量子电子计算机还处于初始阶段，只有解决六位数的因数分解，可是伴随着量子测算科学研究的升級，传统式公匙登陆密码系统软件将早晚淘汰。

由于量子测算的发生，传统式数据加密通讯变为 “小萌新”，可是量子保密性通讯技术（也叫量子密匙派发）的发生，再一次让 “极致数据加密”得到完成。因而，量子保密性通讯变成当今量子通信技术性的关键运用，也是当今能够迈向产业链落地式的运用。

你看看，“造物主合上一扇门，也会让你开启另一扇门”，并且开启的门还比合上的门要早一步打开。

说白了量子保密性通讯，便是一种运用量子的光的偏振特点来进行信息数据加密的一种激光通信。那麼，量子保密性通讯实际是怎样完成的呢？

（量子光的偏振的叠加定理）

我们知道量子结构力学的特点有三点：累加、精确测量和纠缠不清。

简易而言，“累加”确保了一个量子比特犬在光的偏振中能够有无尽个情况，并非数据比特犬仅有 0 和 1 2个情况。叠加定理既能用于做量子测算，也可以用于做量子数据加密。“精确测量”确保了量子的真实偶然性（randomness），量子结构力学的 “精确测量”让 “事实胜于雄辩”丧失实际意义，每一次精确测量都是会造成任意的結果，并且精确测量自身也会更改結果，用在数据加密上就提升了传送差错率，因而一旦有第三方 “监听”，通讯彼此就能马上发觉。

“纠缠不清”就更了不起，量子纠缠不清能够完成好几个颗粒的超长距离的通讯同歩，但是针对量子数据加密而言，就很象 “火箭弹做快递”一样屈才。因而，如今量子通信，只需灵活运用量子累加和精确测量的方式，单独颗粒就能造成同样的随机数字，进行 “量子密匙派发”（quantum key distribution，QKD）。

最开始的单颗粒加密协议是由本内特（Charles Bennett）和波拉萨市德（Gilles Brassard）在 1984 年明确提出的，因而也被称作 “BB84 协议书”，而当今最优秀的哄骗态协议书能够当作是 8848 协议书的改良版。

实际的量子数据加密的方法不会再过多阐释，我们可以立即和传统式数据加密的实际效果做下比照：

传统式对称性登陆密码体制能够保证：（1）保密被捕获但不容易被破解；（2）只靠测算没法破译，而传统式非对称加密登陆密码体制，能够保证；（3）不用传送密匙的太阳龙宝宝；（4）在每一次应用前立即造成密匙，平常不用储存密匙，但必须依靠计算能力的多元性保证 “保密的不能破解”。因而，这二种方法都没法保证 “极致数据加密”。

而量子保密性通讯不但能另外保证之上四点，具有了测算实际意义上的 “极致数据加密”性，并且由于量子的不能复制性，在量子密匙派发全过程中，量子数据信号一旦遭受监听，通讯彼此马上就能发觉，进而立即停止通讯或拆换无线信道通讯，乃至还能够运用一些光学技术，明确监听者的部位。这一点是传统式加密算法没办法保证的。因而，量子数据加密通讯又被称作（测算上）“肯定安全性”的加密算法。

自然，之上仅仅从理论上证实了量子密匙派发的易用性，但量子密匙派发在一开始，能够完成的通讯间距十分短，没办法完成真实的产业发展运用。因而，要想让量子通信走入现实世界，就务必修建出能够开展长距离传送的量子通信系统软件。

从 30 公分到 4600 千米，从单线联接到 “乾坤空一体”

1988 年，IBM 试验室初次完成了实际意义的量子保密性通讯。那时候，学者根据左右光的偏振和上下光的偏振展现的量子态来各自意味着两个测试标准，最后促使两部电子计算机在 30 公分间距的路线联接下完成了量子通信，证实了量子保密性通讯的可行性分析，而自此怎样提升量子通信间距，就变成量子保密性通讯最关键的每日任务。

1995 年，法国日内瓦高校初次保证了间距 23 千米的量子保密性通讯。2002 年，英国 BBN 企业、美国哈佛大学和波士顿大学逐渐联合建造 DARPA 互联网，并在 2009 年完成了城域量子保密性通讯试验互联网的基本建设。

2003 年，韩、我国、澳大利亚等国专家学者明确提出了哄骗态量子登陆密码基础理论计划方案，在目前技术性标准和真正系统软件的情况下，大幅度提高了量子通信的安全性传送间距。中国科技大学潘建伟精英团队在 2010 年情况下能够保证 16 千米的量子通信，到 2012 年取得成功推动到一百公里等级，并初次证实了通讯卫星与地面站间开展量子通信的可行性分析。

2016 年 8 月，我国取得成功发送全球第一架量子科学试验通讯卫星 “墨子号”，该通讯卫星既完成了上千公里的星地髙速量子密匙派发，又完成了长距离地星量子隐型传态，进而将巨大促进量子通信的产品化。2016 年末，全世界第一条量子保密性通讯技术骨干线——“京沪线主干线”全线贯通，根据量子中继站，搭建起联接北京市、上海市，围绕济南市和合肥市总长 2000 余公里的量子通信主干网。也就是根据墨子号和京沪线主干线联接，完工这条 “超越 4600 千米的乾坤一体化量子通信互联网”。

（《Nature》毕业论文图：乾坤一体化量子通信互联网平面图）

墨子号和路面的量子保密性通讯是根据真空泵和地球大气层传送，光信号灯不亮传送基础不容易衰减系数，因而能够完成超长距离的自由空间无线信道传送。而京沪线主干线选用光纤线 QKD 链接传送，虽然不会受到外部环境危害，可是光信号灯不亮衰减系数比较严重，造成 务必应用可靠无线中继计划方案开展城域、城际铁路的传送。

了解了这二种方法的优点和缺点，大家也就可以了解南京大学精英团队明确提出的 “以无人飞机为电子光学无线中继”的方法开展量子密匙派发，所具备 “即搭即用、机动灵活”的特性，恰好能够完成和光纤线路基和通讯卫星华耀量子链接的作用相辅相成。

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