我們離“量子直接通信電話”還有多遠(yuǎn)
從狼煙烽火到飛鴿傳信,再到如今的電子通信,人類借助科技的力量讓通信的距離越來越遠(yuǎn)。去年,北京量子信息科學(xué)研究院、清華大學(xué)龍桂魯教授團(tuán)隊(duì)和陸建華教授團(tuán)隊(duì)合作,設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種相位量子態(tài)與時(shí)間戳量子態(tài)混合編碼的量子直接通信新系統(tǒng),將通信距離刷新至100公里光纖,創(chuàng)下世界紀(jì)錄。
近日,龍桂魯團(tuán)隊(duì)將100公里光纖中的量子直接通信速率提高到每秒5000比特,并準(zhǔn)備從實(shí)驗(yàn)室走向真實(shí)環(huán)境進(jìn)行測試。他預(yù)計(jì),未來3到5年,量子直接通信可能在特殊場合應(yīng)用,讓人們實(shí)現(xiàn)接打“量子直接通信電話”的夢想。
“量子直接通信電話”怎么打
這種“量子直接通信電話”是采用量子直接通信進(jìn)行的音頻通信?!傲孔又苯油ㄐ攀且环N以光的量子態(tài)作信息載體的量子通信形式。竊聽會(huì)改變量子態(tài),因此能被發(fā)現(xiàn),量子直接通信通過感知竊聽的能力,使竊聽者聽不到來保證信息安全?!饼埞痿敻嬖V科技日報(bào)記者,量子保密和經(jīng)典保密的原理不同,二者互相補(bǔ)充。
一般情況下,經(jīng)典通信只確保信息的可靠傳輸,不負(fù)責(zé)通信的安全。這時(shí),密碼學(xué)派上用場,采用數(shù)學(xué)變換把要傳輸?shù)男畔⒋騺y,使竊聽者聽不懂,進(jìn)而保證通信的安全。龍桂魯進(jìn)一步解釋:“而量子直接通信則在可靠通信的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步賦能安全特性,形成在噪聲和竊聽信道下的可靠和安全通信的新模式。也就是說,量子直接通信不僅要可靠地傳輸信息,而且還要使竊聽者無法獲得信息,保證信息安全?!?/p>
龍桂魯介紹,去年的100公里量子直接通信,每秒可以傳輸半個(gè)比特,意味著城市之間可以使用量子直接通信發(fā)送電報(bào)。“現(xiàn)在我們進(jìn)一步采用了單向傳輸和掩膜增容技術(shù),將速率提高到每秒5000比特,這意味著城市間可以打‘量子直接通信電話’了。”龍桂魯說。
拿起電話、撥通號碼、接收方拿起電話,雙方就可以通話了。打“量子直接通信電話”似乎跟傳統(tǒng)座機(jī)電話并無二致。龍桂魯解釋稱:“和經(jīng)典的座機(jī)電話不同的是,一旦有竊聽,‘量子直接通信電話’就會(huì)感知并發(fā)出警報(bào),維護(hù)人員就可以去檢查和消除竊聽?!孔又苯油ㄐ烹娫挕€可以轉(zhuǎn)換路線或者轉(zhuǎn)換到經(jīng)典一次一密等其他安全模式,繼續(xù)通話?!?/p>
如何組建量子互聯(lián)網(wǎng)
“有規(guī)模地應(yīng)用‘量子直接通信電話’需要組建網(wǎng)絡(luò)?!饼埞痿斖嘎?,未來,可以使用量子中繼組建量子互聯(lián)網(wǎng)。
不過,目前可以使用經(jīng)典密碼和經(jīng)典中繼,來構(gòu)造安全中繼量子網(wǎng)絡(luò)。安全中繼是指經(jīng)典密碼保護(hù)下的經(jīng)典中繼,把量子直接通信和經(jīng)典密碼結(jié)合,用量子直接通信傳輸經(jīng)典密碼加密后的密文,這樣在經(jīng)典中繼節(jié)點(diǎn),信息受到經(jīng)典密碼的保護(hù);在通信鏈路,信息得到量子的保護(hù),從而為網(wǎng)絡(luò)提供端對端的安全性。
龍桂魯說,這個(gè)過程就是把信息用經(jīng)典密碼加密成密文,用量子直接通信傳輸大約100公里,到一個(gè)叫作“中繼”的地方,把密文從量子信號變成經(jīng)典信號,再轉(zhuǎn)換成量子信號,用量子直接通信接力傳送,這樣繼續(xù)下去,最后送給收信人。
“如果用傳輸文件來比喻,經(jīng)典加密就是用暗號寫信?!饼埞痿斦f,量子直接通信就像一輛帶封閉車廂的郵車,經(jīng)典中繼就是信件中轉(zhuǎn)站。用封閉郵車傳送暗號寫的文件,隨后在中轉(zhuǎn)站轉(zhuǎn)交給下一輛郵車?!霸诮唤訒r(shí),人們看到的只是暗號,不是文件內(nèi)容本身。最后的接收人才能讀懂暗號所代表的文件內(nèi)容?!彼f。
龍桂魯?shù)妊芯咳藛T已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室初步構(gòu)建了安全中繼的量子直接通信網(wǎng)絡(luò),從“一對一”通信發(fā)展到了多人“群聊”。今后可以利用經(jīng)典安全中繼組網(wǎng)技術(shù),建設(shè)廣域的確保端對端安全的安全中繼量子網(wǎng)絡(luò),支撐多種應(yīng)用。
“未來,我們要讓技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室,在實(shí)際的光纖網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行測試和試用,不斷優(yōu)化改進(jìn)技術(shù)?!饼埞痿斦f。
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