不要乱，量子通信没那么复杂

　　7月底，世界首颗量子微纳卫星＂济南一号＂在酒泉卫星发射中心搭载＂力箭一号＂运载火箭成功发射。据了解，此次升空的量子微纳卫星重量降低到＂墨子号＂量子科学实验卫星的约1/6、光源频率提升约6倍、密钥生成时效性提高2-3个数量级，研发成本和发射成本大大降低。而此次配合＂济南一号＂的小型化量子卫星地面站较墨子号量子科学实验卫星升空时，重量由12吨降至100公斤以下，安装部署时间由数月降低至数小时。
　　7月27日12时12分，＂济南一号＂在酒泉卫星发射中心搭载＂力箭一号＂运载火箭成功发射。
　　＂济南一号＂量子微纳卫星的成功研制，将使我国在世界上首次实现基于微纳卫星和小型化地面站之间的实时星地量子密钥分发，构建低成本、实用化的天地一体化量子通信网络。
　　量子通信基于量子力学基本原理，提供了目前唯一原理上无条件安全的通信方式。面向日益增多的用户需求，在墨子号量子科学实验卫星所奠定的技术基础上，发射多颗低成本量子卫星实现组网运行，是构建高效率、实用化、全球化量子通信网络的必由之路。
　　量子通信是什么？与传统通信相比，优势在哪？＂济南一号＂的研发突破了哪些技术难关？本文将针对这些问题进行相关解读。
　　（注：量子力学相关理论可参考本公众号之前文章《从量子科学出发聊聊时空穿越》）
　　基本原理
　　量子通信主要基于量子纠缠态的理论，使用量子隐形传态（传输）的方式实现信息传递。量子通信的过程如下：事先构建一对具有纠缠态的粒子，将两个粒子分别放在通信双方，将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量，则接收方的粒子瞬间发生坍塌（变化），坍塌（变化）为某种状态，这个状态与发送方的粒子坍塌（变化）后的状态是对称的，然后将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方，接收方根据接收到的信息对坍塌的粒子进行幺正变换（相当于逆转变换），即可得到与发送方完全相同的未知量子态。
　　量子通信同传统的通信方式相比较，有一些比较突出的特点，例如安全性比较高，还有就是传输的过程中不容易受到阻碍。当量子态在不被破坏的情况下，在传输信息的过程中是不会被窃听，也不会被复制，所以严格意义上来看，它绝对安全。
　　给数据加上牢不可破的锁
　　基于量子力学中的不确定性、测量坍缩和不可克隆三大原理，量子通信拥有无法被窃听和计算破解的绝对安全性保证，主要分为量子隐形传态和量子密钥分发两种（基于＂济南一号＂特性，本文将着重介绍量子密钥分发）。
　　量子通信卫星与地面站实验示意图（图源：中国科学技术大学）
　　量子密钥分发的原理如下：图1给出一个典型的点对点量子密钥分发系统模型。可以看到，量子密钥分发是一个通信双方协商产生共享密钥的过程。虽然存在＂BB84＂、＂GG02＂等多种不同的量子密钥分发协议，但均需由量子信道和经过认证的经典信道相连的发送和接收装置来实现。量子信道中传输的是由量子态承载的量子比特信号，可以利用光纤、自由空间（包括卫星链路）等物理媒介进行传输。经典信道则用于发送方A和接收方B进行基矢比对等数据后处理步骤的信息交互。这里量子信道和经典信道均可通过公共通信网络进行传输而无需担心窃听者的存在，因为A和B可以利用量子密钥分发特殊的处理过程发现窃听行为。
　　图1：量子密钥分发工作机制示意图
　　当A与B之间进行量子保密通信时，首先需要进行对称密钥的分发。量子密钥分发的第一个步骤是量子通信，即通过量子信道进行量子态的制备（或称编码）、传递和测量（或称解码）。这里A和B均具备建立量子信道所需的专用光学设备。A通过单光子源将一个个单独的光子（量子态的载体）不断地发送给B，每个光子可以看作承载着1量子比特（Qbit）的信息。A在发送这些光子时，会随机选择两种不同类型的＂基＂之一来进行量子编码处理。在＂BB84＂协议中，＂基＂是编码或测量光子的偏振角度，每类基包含两个相互正交的基矢，而两类基之间则是非正交的，例如由{0°， 90°}偏振组成的垂直正交基和由{45°， −45°}偏振组成的斜对角基。
　　作为接收方的B，为获取其通过量子信道接收到的每个光子所携带的信息，B需像A一样随机选择两种可能的＂基＂之一对光子进行测量。这里测量基的选择必须是随机的，且与A制备光子时所用的基无关。然后，A和B可通过经典信道公开比对双方在制备和测量光子时所用的基。当且仅当A和B随机地选择了相同的基时，根据＂海森堡测不准＂（1）原理，双方会得到相同的信息，可用于生成密钥。而当A和B随机选择不同的基时，则双方所得到的信息是随机的，应予以丢弃。
　　在量子通信步骤结束后，量子密钥分发系统还需要根据参数估计过程，通过对误码率等参数的评估识别当前是否存在窃听，然后还需通过密钥数据的纠错、校验、隐私放大等过程，保证收发两端得到完全一致的、安全的随机数，用于生成双方进行保密通信所需的对称密钥。
　　（1）海森堡测不准原理：该原理指出一旦通过测量可以获得某个量子系统的部分状态信息，那么该量子系统状态就必然会发生扰动，除非事先已知该量子系统的可能状态是彼此正交的。这使得在量子密钥分发过程中，仅当接收方采用与发送方相同的基（包含正交的两个基矢）进行制备和测量时，双方可以获取正确的信息；而窃听者的测量行为则一定会改变量子态的物理特性，从而使窃听行为无法避免地被检测出来。
　　技术难关
　　经过20多年努力，我国在量子通信领域实现了从跟跑到领跑的重大转变，目前，我国量子通信技术已为纪念抗战胜利70周年阅兵、十九大等国家重要会议和活动提供了信息安全保障。此外银行业监管信息报送、人民币跨境收付信息管理系统、网上银行数据异地灾备系统等都应用了量子保密通信技术。那么，我国科学家在对量子通信技术的研发过程中遇到了哪些困难？
　　＂墨子号＂地星量子隐形传态实验，2016年11月摄于西藏阿里（图源：新华社）
　　难关一：单个光子制备
　　在量子通信技术的研发过程中，首先要面对的是制备单个光量子的技术难题。中科院院士、中国科技大学常务副校长潘建伟曾举了一个非常形象的例子，来解释这一关键技术的难度：一个普通的15瓦左右的灯泡每秒钟辐射出的光量子个数可达十万亿亿个，想要实现单个光量子的制备就如同在这十万亿亿个光量子发射出来的瞬间捕捉到其中的某一个。
　　难关二：单光子的探测
　　单个光子已经是光能量的最小单元，能量非常微弱，需要发展出非常精密和高效的单光子探测技术。具备了单个光量子的制备和探测能力后，才能够实现安全的量子通信。
　　难关三：星地通信好比万米高空投硬币
　　墨子号量子科学实验卫星常务副总设计师王建宇曾举例，＂要从1000千米的高度把一个个光子发射到地面站，就好比在万米高空高速飞行的飞机上，同时向地面两个旋转的投币口细长的储蓄罐扔进一个个硬币。储蓄罐的投币口细长，相当于光的偏振，具有方向，硬币要把方向对好才能扔进去，而且不是扔一个，要两边同时都扔准才行。＂
　　难关四：地面探测难度远超千里眼
　　根据计算，一根火柴划一下大概有1017个光子，而卫星地面站的探测能力，相当于在地球上的人要发现在月亮上有人划了一根火柴。此外，还要在每秒一亿个光子里面，搞明白地面探测到的是第几个光子，这些光子都是排好队的，探测一个就要知道它是第几个，这样才能用来做密钥。
　　未来
　　＂济南一号＂在完成在轨测试后，将配合小型化地面站系统，完成实时星地量子密钥分发实验，开展商用化广域量子通信网络应用示范，进一步扩大我国在空间量子通信领域的国际领先地位。
　　济南量子技术研究院副院长周飞在接受媒体采访时表示，按照规划，一个低成本、实用化的天地一体广域量子保密通信网络，应该是＂中高轨量子卫星+低轨量子通信卫星星座+大规模地面光纤量子通信网络＂的基本架构，三者相互配合，互为补充。
　　截至目前，在地面光纤方面，我国已建成＂京沪干线＂＂武合干线＂等量子保密通信骨干网络，以及北京、上海、济南、合肥等地城域网及行业接入网。基于这些网络，量子保密通信技术已服务于政务、金融、电力、能源等领域。
　　未来，一旦有更多的量子微纳卫星升空，我国＂量子星座＂将不断完善，并与光纤网络上的关键节点和可移动节点完成对接，无缝接入经典通信网络，成为一名忠诚的＂信使＂。
　　图片来源与网络
　　资料来源：
　　https://www.xianjichina.com/special/detail_515226.html
　　http://m.news.cctv.com/2021/01/07/ARTImV0De11kbW7inS3ZkyKF210107.shtml
　　https://news.mydrivers.com/1/848/848870.htm
　　https://www.elecfans.com/tongxin/202207111859966.html
　　https://baijiahao.baidu.com/s?id=1739735204404114878&wfr=spider&for=pc
　　http://kjt.ah.gov.cn/kjzx/mtjj/121112871.html
　　https://www.163.com/dy/article/HDFE