公元前405年，伯羅奔尼撒戰爭末期，雅典間諜從波斯帝國帶回一條布滿雜亂無章的希臘字母的普通腰帶，當腰帶呈螺旋形纏繞在劍鞘上時，毫無規律可循的字母就變成了一段文字。這被認為是世界上最早的密碼情報。

2400多年來，密碼作為保護信息的手段，在軍事、外交、經濟、生活等領域得到全方位應用。然而，盡管經歷了手工加密、機器編碼、計算機編碼等不斷升級的過程，密碼變得越來越復雜、越來越可靠，但迄今無論什么樣的高級密碼，依然都有被破解的可能。

那么，有沒有一種絕對不被破譯的密碼，能讓傳送的信息安全可靠？

“現代量子信息理論與實驗的快速發展，有望破解這一難題。”中國科學技術大學微尺度物質科學國家實驗室教授劉乃樂說。

量子通信很保密

一旦有人試圖打開信件，量子密鑰會讓信件自毀

量子理論認為，微觀領域里，某些物質可以同時處于多個可能狀態的疊加態，只有在被觀測或測量時，才會隨機地呈現出某種確定的狀態。因此，對物質的測量意味著干涉，改變被測量物質的狀態。基于這一原理，科學家們提出量子密碼的概念，也就是用具有量子態的物質作為密碼。這樣一來，任何截獲或測試量子密碼的操作，都會改變量子狀態。換言之，截獲量子密碼的人得到的只是無意義的信息，而信息的合法接收者也可以從量子態的改變中知道量子密碼曾被截取過。量子密碼被應用于量子通信系統中，便是所謂的“量子保密通信”。

傳統的保密通信可以分為“加密”、“接收”、“解密”三個過程，發送者將發送內容通過某種加密規則（密鑰）轉化為密文，接收者在接到密文后采用與加密密鑰匹配的解密密鑰對密文進行解密，得到傳輸內容。

量子保密通信的過程也相同，只不過作為加密和解密的密鑰不再是傳統的密碼，而是改用微觀粒子攜帶的量子態信息。這一看似微小的變化，使密鑰的安全性產生了徹底變化。

“古人在信封上用火漆封口，一旦信件被中途拆開，就會留下泄密的痕跡。”中國科大潘建偉院士打比方說，量子密鑰在量子通信中的作用比火漆更徹底——一旦有人試圖打開信件，量子密鑰會讓信件自毀，并讓使用者知曉。只要量子力學規律成立，量子保密通信就無法被破解。

應用前景誘人

量子通信的距離和速度飛躍式提升。中國是后來者，但起點高，進展快

1984年，IBM華生實驗室工程師本奈特和布拉薩德提出全新的通信協議，叩開量子保密通信的大門。從那以后，由于量子通信技術誘人的應用前景，西方發達國家投入了大量的人力物力進行理論和實驗研究。

近十幾年來，量子通信的距離和速率都有了飛躍式的提升，一些小規模的量子通信試驗網已經建成，驗證了量子通信技術網絡化的可行性。

“下一步的國際競爭將更加激烈，人類將致力于將量子保密通信向更遠距離和更大規模的廣域網絡發展。”劉乃樂介紹說，歐盟已提出歐洲量子通信未來發展目標，將重點發展量子中繼和衛星量子通信，實現千公里量級的量子密鑰分發；日本國立信息通信研究院計劃到2040年建成極限容量、無條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網絡；美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室過去幾年中則一直在悄悄創建一套輻射狀的量子互聯網。

在量子保密通信這場國際化競爭中，我國盡管屬于后來者，但起點高，進展快，在應用研究的多個方面已經達到世界先進水平，其中在城域量子通信關鍵技術方面已達到產業化要求，產業化預備與歐美處于同等水平。

在量子通信技術的網絡化研究方面，中國科大潘建偉小組于2008年建成光量子電話網，實現了“一次一密”加密方式的實時網絡通話。

2012年初，潘建偉小組在安徽省合肥市建成世界上規模最大的46節點量子通信試驗網，標志著大容量的量子通信網絡技術已取得關鍵突破；與此同時，新華社和中國科大合作建設的金融信息量子通信驗證網在北京開通，在世界上首次實現利用量子通信網絡對金融信息的安全傳輸。

潘建偉小組還在量子存儲和量子中繼器技術方面處于國際領先地位，2012年，該小組實現了3.2毫秒的存儲壽命及73%的讀出效率的量子存儲，為目前國際上量子存儲綜合性能指標最好的實驗結果。

量子衛星助力

在不久的將來，量子保密通信將有望走向大規模應用

“量子保密通信技術的實際應用將分三步走：一是通過光纖實現城域量子通信網絡；二是通過量子中繼器實現城際量子通信網絡；三是通過衛星中轉實現可覆蓋全球的廣域量子通信網絡。”潘建偉說。

潘建偉認為，目前，我國量子保密通信技術在城域網上的使用基本成熟，已經可以推廣；城際量子通信網絡方面，連接北京和上海的千公里光纖量子通信骨干網工程“京滬干線”已正式立項，有望在兩三年內投入使用。

但要實現廣域的量子保密通信，還需要借助衛星。這是因為大氣對某些特定波長的光子吸收非常小，而且大氣層以外幾乎是真空，因此量子信息的攜帶者光子在外層空間傳播時幾乎沒有損耗。如能在技術上實現糾纏光子在穿透整個大氣層后仍然存活并保持其糾纏特性，就有望克服光纖傳輸的弱點，將量子通信的距離大幅度提高，甚至達到覆蓋全球的范圍。

可以預想，隨著量子通信技術的產業化和廣域量子通信網絡的實現，在不久的將來，作為保障未來信息社會通信安全的關鍵技術，量子保密通信將有望走向大規模應用，成為電子政務、電子商務、電子醫療、生物特征傳輸和智能傳輸系統等各種電子服務的驅動器，為當今信息化社會提供基礎的安全服務和最可靠的安全保障。

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目前，我國廣域量子通信網絡計劃已經開始，潘建偉團隊作為國內唯一開展星—地自由空間量子通信實驗研究的團隊，牽頭組織了中科院戰略先導專項“量子科學實驗衛星”，計劃在2016年左右發射，在此基礎上將實現高速星地量子通信并連接地面的城域量子通信網絡，初步構建我國廣域量子通信體系。
2005年，在世界上第一次實現了13公里自由空間量子通信實驗，證實了星—地量子通信的可行性；
2012年，在青海湖完成百公里自由空間量子態隱形傳輸與糾纏分發實驗；
2013年，在國際上首次成功實現星地量子密鑰分發的全方位地面驗證，為實現基于星地量子通信的全球化量子網絡奠定了堅實的技術基礎。

（原載于《人民日報》 2013-06-14 20版）