 简单介绍一下量子通信，大的学科可以叫做量子信息，有的时候也称量子信息与量子计算。前面加一个量子，并不是简单的说实现手段要采用量子的方式，而是说加上量子之后会带来许多经典通信和经典计算所达不到的好处。 同经典算法相比，量子计算至少在两个方面有明显的优势，一个是大数的质因数分解，还有一个是搜索。大数的质因数分解可以指数的提升计算效率，如果采用量子计算进行大数的质因数分解，其复杂度就完全不存在了，那我们现有的经典密码体系基本宣告崩溃。因为最经典的RSA公钥加密算法安全性就是基于大数质因数分解的复杂性假定。而对于搜索，比如说有n个位置，需要的东西存放在某个位置，要将其搜索出来，平均需要n/2步，量子搜索平均只需要√n步。
另一方面量子通信的内容也比较多，其中离实用化最近的就是量子保密通信，量子保密相比传统通信有优势的地方在于可证明的安全性。刚才我们说到，经典的安全体系是基于对一些数学问题复杂度的假定，但是那些数学问题的复杂度并没有证明，其中最有名的就是经典密码体系RSA。如果我们还是采用RSA体系的话，在物理学家看来还是要担心别人就用现有的计算机将它破解怎么办？这里需要注意，仅仅是基于经典算法的大数质因数分解问题现在没有找到如何破解，但并不代表经典算法就没有破解的办法。当然还存在另外一种可能性，如果别人掌握了破解的技术，但是不告诉你，你不会破解。所以即便没有量子计算机，经典的秘钥密码体系还是有潜在的安全风险，如果采用量子密码，那么所有的安全风险都不存在，因为它有数学上严格的安全性证明。 量子通信，也叫做量子密钥分发或者简称量子密码。那么我们要用量子保密通信该怎么用呢？第一步也是最重要的，就是通过传输单量子态，或者说单光子态，建立起密钥，接下来的通信则完全是经典的通信问题，主要就是利用刚刚建立起来的密钥来做保密通信，整个过程就称为量子保密通信。在实用方面，目前中国、欧洲、美国、日本等都建立起了一些在运行的量子保密通信试验地。我们在合肥、济南等地方，已经有真实的量子保密通信网络在运行，可以正常的打电话、可以发传真等等。最近两年，国家在建设京沪干线，也是世界上第一条量子通信保密干线，一共将近2000多公里长，目的是把国家的局域量子保密通信网络全部连起来。  由于量子保密通信要传输单光子态，而且这个信号不能放大，因此，它的传输距离受到限制。什么意思呢？无论在光纤中传输，还是在空气中传输，距离越长，对应的损耗就越大，距离太长损耗太大的话最后就没有成码。要解决这个问题，目前有几种做法:第一种是基于现有的技术，从理论和实验研究如何提高安全距离和成码率，这也是我主要的研究方向。另一种方法是建立量子中继站，采用量子中继的方法也可以把安全距离变长。但这就涉及到了量子存储器，在技术上相当有难度，估计短期之内还看不到实际的应用。第三种做法是采用卫星量子通信，比如说地球上相隔1000公里的两点，都以卫星为中继站来进行量子保密通信，这种方式的损耗与在地面上通信两点的距离几乎没有关系，这是因为地球外存在大气层，它对光能构成损耗的有效厚度大概只有10公里，剩下的都是在真空中，而在真空中传输是没有损耗的，实际上相当于在空气中做了20公里的量子通信。以这个卫星为中继的量子通信，不论地面两点的距离有多远，损耗都仅仅是这两点每一点和卫星之间的损耗，也就只有10公里的大气层厚度。 下面要介绍下我的研究方向，它的好处就是很直接，可以把现有技术能做到的潜能充分挖掘出来，并不需要提高什么技术，我给出新的理论，就可以利用现有的技术提高成码率，增加安全距离。十多年以前还没有真正意义上的安全的量子保密通信，因为它需要的是理想单光子源，现实中我们并没有，世界上有很多研究小组在朝着这个方向努力研制，在nature、science上也确实发表过很多文章，但所有的成果迄今为止没有任何一个能真正应用。我的理论工作是给出了一种诱骗态方法，让光源在三个强度间随机切换，可以直接用现有的普通光源而不需要理想单光子源，也能做出安全性和理想单光子源等价的量子保密通信。随之而来的代价是最后的成码率会比理想单光子源低一些，大概相当于它的30%，但好处是安全性与之等价。这样一来，过去没有理想单光子源，就用普通光源的安全距离不到10公里，而如果用我的方法，安全距离可以大幅度提高到100公里以上。 采用这个理论方法，由潘建伟、彭承志和我本人组成的清华、中科大联合团队于2006年完成了世界上首个超过100公里距离的安全的量子保密通讯，在当时引起了轰动。当然，这里的安全保密通信指的是和理想单光子源安全性等价的智能量子保密通信。后来，国内外其他一些团队继续把这个方法在实验上发扬光大，有些朝着实用化方向走，做量子网络啊、量子电话等等，还有一些做长距离，最长达到了200公里，这个技术几乎已经到了顶峰，也成了世界上做量子保密通信实际上的主流方法。  后来荷兰的研究团队发现了一个问题，采用诱骗态方法固然光源方面没有问题，但是窃听者可以对探测器进行攻击，这是一种很严重的情况。最早协议的安全性证明中，假定的是窃听者控制了整个通道，但是不能攻入合法用户的实验室内部。而所谓对探测器的攻击，实际上就是窃听者攻入了合法用户的内部，并不是说窃听者的人要进入合法用户的实验室，而是可以从实验室外部打一束光来变相的控制实验室内部探测器的探测效率。在通道损耗比较大的情况下，这种攻击是可以完全攻破量子保密通信系统。完全攻破是说合法用户拥有什么样的密码，窃听者就有一串一模一样的密码。这个安全漏洞是完全可以克服的，采用的策略叫测量设备无关量子密钥分发。 中科大、清华等单位最近联合做了一个400公里的实验，题目叫防黑客量子保密通信实验，就是采用了这种所谓的检测设备无关量子密钥分发。之前的也有人做过类似的实验，但都有个共同的特点，那就是他们都局限于当时的理论模型限制，成码率很低，严重限制了实际应用。为了解决这个问题，我们课题组在去年和今年专门研究，在年初发表的文章中提出了一个理论方法，叫做四强度优化理论方法。如果采用该方法，现有的实验技术去计算一下成码率，可以提高将近两个数量级，对应量子密钥分发的安全距离可以增加将近100公里。这次400公里实验采用了我们四强度优化理论方法，并在不同的距离点上做了很多组实验，亮点是大大的打破了测量设备无关现有207公里的世界纪录。在短距离的地方，采用四强度优化理论方法的成码率也大大提高，比如在200公里比2014年的200公里实验的成码率提高了500多倍，其中有50多倍直接来源于我们的四强度优化理论方法，另外10倍是由于中科大实验技术有了较大的改进，在100公里距离获得的成码率已经可以满足语音通话的要求。
Q&A  问：量子通信什么时候走进实际生活？ 从技术上来说，目前可以做到城市内部的局域网，可以用它打电话，传真之类的都没问题，技术上已经允许实际应用。但是量子保密通信还受到许多其他方面的制约，比如政策法律层面。对于量子保密通信，能真正成为全社会很普及的一种技术使用，那些方面同样很重要，我没法预测。单纯从技术层面上讲，我们在济南的量子通信试验网已经运行了好几年，那个不是在实验室内部运行，就是真实接着50多个节点，接着不同单位的电话机和传真机的一个网。这都是量子保密通信，对于这个量子计算机这一部分，即便是从技术上目前也无法预测。但即便有了量子计算机，量子保密通信也是安全的。 问：除了安全性，量子保密通信还有什么其他优势？ 这也是经常被问到的一个问题。量子保密通讯的优势是安全性，我们并没有宣传在所有方面它都有优势，就通讯效率来说，目前量子态的传输当然比不了经典通信的效率。现在量子保密通信可以做到语音传输，就是说打电话、发传真这些一次一密的都没有问题。其实对于一个技术来说是这样的，比如我有一个用途，在某一个方面有进步，在我需要这方面的时候就使用这个方面，虽然我在其他方面不如已有的，但这依然是一个科学的进步。当你就需要有优势的那个方面服务的时候，它就可以发挥作用。另外，量子通信肯定是不能实现超光速通信的。
 王向斌：清华大学物理系教授，主要从事量子密码理论、实用化量子密码安全性分析、单量子态操控与量子通道理论、连续变量量子态理论以及量子纠缠理论等方面的研究。 |
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