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。去年，北京量子信息科學(xué)研究院、清華大學(xué)龍桂魯教授團隊和陸建華教授團隊合作，設(shè)計和實現(xiàn)了一種相位量子態(tài)與時間戳量子態(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)下世界紀錄。
近日，龍桂魯團隊將100公里光纖中的量子直接通信速率提高到每秒5000比特，并準備從實驗室走向真實環(huán)境進行測試。他預(yù)計，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行的音頻通信。“量子直接通信是一種以光的量子態(tài)作信息載體的量子通信形式。竊聽會改變量子態(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。”龍桂魯告訴科技日報記者，量子保密和經(jīng)典保密的原理不同，二者互相補充。
一般情況下，經(jīng)典通信只確保信息的可靠傳輸，不負責通信的安全。這時，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，進而保證通信的安全。龍桂魯進一步解釋：“而量子直接通信則在可靠通信的基礎(chǔ)上，進一步賦能安全特性，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。”
龍桂魯介紹，去年的100公里量子直接通信，每秒可以傳輸半個比特，意味著城市之間可以使用量子直接通信發(fā)送電報。“現(xiàn)在我們進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)座機電話并無二致。龍桂魯解釋稱：“和經(jīng)典的座機電話不同的是，一旦有竊聽，‘量子直接通信電話’就會感知并發(fā)出警報，維護人員就可以去檢查和消除竊聽。‘量子直接通信電話’還可以轉(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。”
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)。”龍桂魯透露，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，信息受到經(jīng)典密碼的保護；在通信鏈路，信息得到量子的保護，從而為網(wǎng)絡(luò)提供端對端的安全性。
龍桂魯說，這個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。”龍桂魯說，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。“在交接時，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。”他說。
龍桂魯?shù)妊芯咳藛T已經(jīng)在實驗室初步構(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)走出實驗室，在實際的光纖網(wǎng)絡(luò)中進行測試和試用，不斷優(yōu)化改進技術(shù)。”龍桂魯說。
