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中国量子通信引领者:战略科学家的视野与理性坚守

2016-03-24 10:34
Timeless落尘
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  刚刚过去的2015年底,英国物理学会新闻网站《物理世界》,公布了该年度国际物理学领域10项重大突破,中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟及其团队成员陆朝阳等完成的“一个基本粒子的多自由度量子隐形传态”入选并名列榜首。评审委员会认为,这项成果缩小了一些未来新技术与现实之间的距离,譬如安全性能牢不可破的通信设备、运算速度比今天快几万亿倍的计算机。

  今年年初,潘建伟及团队的“多光子纠缠及干涉度量”,获2015年度我国国家自然科学奖一等奖。有媒体称此成果为“弯道超车利器”。

  至此,我国量子通信领域开始领跑世界。

  2月1日及3日、4日,潘建伟及其团队,中国科学技术大学有关人士,相继接受了记者的专访。

  1. 通信安全是自古以来的永恒话题,也是当代世界难题,加密技术不断升级与加密算法不断被破解,使得密码学中的矛与盾处于恒久的博弈之中。十几年来,他与他的团队站在量子力学前沿制高点上与高明的窃听者“斗法”

  采访进入通信安全话题,潘建伟直指2000多年前的古战场。

  “人们想以安全的方式共享一些想法或秘密,最早可追溯到古希腊的军事行动。当时指挥官发布命令是用密码棒,经战士传递给作战首领,再将布料缠绕在棒上烙印,密码即可读出。凯萨大帝时期,人们将字母做些改换,譬如,A用C代替、B用E代替,尔后根据密码本对译,就可读出信息。2000多年来,密码成为人们保护信息的主要手段。现代社会,无论国防、政务还是网络、金融,通信安全技术须臾不可离开。由此,通信安全是自古以来的永恒话题,也是当代世界难题,为当今世界各国的重大战略需求。”

  潘建伟强调,随着加密技术不断升级和加密算法不断被破解,密码学中的矛与盾便处于恒久的博弈之中。

  那么,有没有一种绝对不被破译的通信方式,彻底解决通信安全难题?

  潘建伟向记者娓娓道来:

  1949年,信息论及数字通信奠基人香侬证明,如果密钥是随机的、密钥与明文长度一样且一次一密、不重复使用,那就可保证这种加密方法绝对安全。

  然而,这是建立在密钥本身是安全的前提之下。如何产生并分发安全的密钥呢?

  基于量子力学中量子的不可分割性、量子状态的测不准性和未知量子态不可精确克隆3大原理,原则上可以实现无法被窃听的安全通信。

  潘建伟说,“在科幻小说中,人们经常想象时间可以倒流。时间可以倒流就意味着因果性可以改变。然而到目前为止,物理学所有原则中,因果性是最宝贵的原则,它是不能改变的,如果因果秩序颠倒,我们的世界就无因无果,那是目前所有物理学原理所不允许的。”他说,在香侬提出无条件安全的加密原则50年后的2009年,研究证明采用量子手段可达到安全密钥分发目的:只要因果性成立,量子密钥分发就是安全的。

  量子和信息的结合,最初来自1935年爱因斯坦等人对量子力学完备性的质疑,即EPR佯缪。通俗地讲,量子纠缠,是两个或更多粒子,即使远隔千山万水也瞬时相互关联的现象。按照相对论定域性,处于类空间隔的两粒子,表现为对一个粒子的测量,不会对另一个粒子产生影响;然而量子力学却认为,处于量子纠缠的两个粒子,对一个粒子的测量,会瞬间改变另一个粒子的状态,这就是量子力学非定域性。伟大的爱因斯坦甚至称量子力学非定域性为:“遥远地点之间的诡异互动”。随着对量子非定域进行实验检验的深入,人们逐渐掌握了对微观粒子的量子状态进行人工调控的能力,在20世纪80年代,量子力学与信息科学相结合,诞生了一门新型交叉学科——量子信息学,主要包括量子通信和量子计算,为确保信息安全和提高计算速度提供了全新的方案。

  100多年前的1900年,德国物理学家马克思·普朗克最先提出“量子”的概念,导致量子力学产生; 1972年,美国物理学家克劳泽等通过实验证实,微观粒子“遥远地点之间的诡异互动”现象真实存在;1984年,IBM公司的本内特和加拿大蒙特利尔大学的布拉萨德,率先提出量子密钥分发协议即BB84协议,著名的BB84理论形成,它标志着量子密码学正式诞生;1992年第一个量子密码实验演示完成。此后,世界各国的量子物理学家开始致力于量子密码的实用化。

  ……

  就在量子力学诞生100多年后的2001年,潘建伟在中国科大创立量子信息实验室,他与他的青年科学家团队开始站在量子力学前沿制高点上,与那些高明的窃听者“斗法”。

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