古希腊时期,斯巴达人利用卷纸的滚筒,将看似无序的文字变成有序信息;世界大战中,将士们使用密码本,将密文翻译成明文;当今,人们通过密钥,加密和解密信息。人类使用密码的历史,几乎和文字的历史等长。
然而,历史上所有的密码系统,都无法做到“不可破解”,直到量子通信技术的出现:在量子密钥通信领域,“无条件”安全,这个看似不可能达到的目标,已经被实现并开启应用。量子通信,正引发一场颠覆信息产业的革命。
国盾量子,是这场通信革命中绝对的“领头羊”:中科大量子信息研究团队加持,中国“量子之父”潘建伟持股,杭州G20峰会和“抗战胜利七十周年阅兵”的量子安全保障单位……
那么,究竟什么是量子通信?作为量子通信第一股的国盾量子,发展前景究竟如何?
量子通信 绝对安全
当今社会应用最多的密码系统,是基于复杂算法的公钥密码体制。所谓“密钥”,就是明文和密文之间转换的“钥匙”,由公钥和私钥两把“钥匙”构成。其中,公钥是经过信息传输系统的、可被公开的“钥匙”,能将明文转成密文。私钥是非公开的、最为关键的“钥匙”,能够把密文翻译成明文。私钥一旦泄露,就意味着信息泄露。
两把“钥匙”之间,通过复杂的算法联结。也就是说,一旦有人获取了公开的公钥,倒推算法,理论上是能够推导出私钥的。但人们通过将公钥数字放大,使计算机算力无法企及。当数字到达1MB量级的时候,以当前的普通计算机算力,几十年也得不到解。
然而,量子计算的出现,将严重威胁传统密码系统。2019年,谷歌宣布,其所研究的量子计算机仅需3分20秒,就可完成全球最快超级计算机“顶点”需一万年才能完成的计算。这代表人类对计算机算力的巨大突破。尽管尚不能解决实际问题,但可以想象,在不久的将来,量子计算机将在分秒之内破解重要密码,全线瓦解当前密码系统。
与传统密码系统不同,量子通信技术并不能被量子计算机威胁。毫不夸张地说,量子通信可以做到“绝对安全”。
量子密钥通信的原理与传统密码系统大同小异,不过密钥不再是通过算法形成的特定参数,而是一串“量子比特”。量子比特类似于二维空间的单位向量,是衡量单个光子偏振方向的指标,由简单的1和0构成。构成光最小单位的“光子”,本质是电磁波,在平面上会出现90°、0°等偏振方向。
(图片来源:墨子沙龙Sheldon漫画工作室)
接收者通过测试发送者传来的一系列光子偏振方向,将光子状态翻译成由1和0构成的量子比特数列,从而得到原始密钥。接着,接收者和发送者只要核对原始密钥信息,便能得知有无第三者窃听。核对一致,说明信息传输绝对安全,便可放心地使用密钥加密和解密信息。
为何密钥核对一致就能证明无人窃听呢?这是由量子的两个著名原理决定:“海森堡测不准原理”和“量子态不可克隆原理”。
测不准原理,意味着接收器对光子偏振方向的测量,会反过来改变光子的偏振方向。也就是说,任何窃听者只要尝试对拦截的密钥信息进行破译,都会导致信息本身被破坏,使最终的接收方和发出方核对的信息不一致。那么,窃听者可否在破译密钥信息之前,复制完全一样的密钥传送给接收方呢?答案也是不能。
量子态不可克隆原理是说,量子特殊的“叠加状态”,使其不可复制。简单来说,如果你创造了一个量子态,外界是不可能通过简单的复制粘贴,克隆出完全相同的量子态来。
两大原理,让窃听者无处遁形,使量子通信做到了“无条件”安全。因为此特性,量子通信被各国上升到国家战略高度。美、日、韩等国不惜巨额投入,希望在这场量子争霸赛中夺取更多话语权。
2018年,特朗普签署了《国家量子计划法案》,拟在5年内,投资12．75亿美元用于量子技术研究;欧盟颁布了量子技术旗舰计划,投资10亿欧元构建欧洲量子安全网络;德国政府签署《量子技术:从基础到市场》,拟投入6．5亿欧元研究量子通信、计算等领域;日、韩、俄罗斯等国也纷纷出台了各自的量子通信规划。
中国对量子通信技术的重视不言而喻。2015年,量子通信被纳入“十三五”规划中体现国家战略意图的重大科技项目;2016年,国务院特别强调将量子通信列入“面向2030年国家科技创新专项”;近两年,发改委、工信部等部门,频频出台政策,支持量子通信技术发展。
国家的大力支持,使我国量子通信技术全球领先。目前,中国是唯一能实现量子通信大规模应用落地的国家。“京沪干线”、“武合干线”等量子保密通信网络的建成,意味着我国已率先进入广域网阶段。政务、金融等国计民生行业,已将系统接入量子通信网。相比之下,他国通信产品尚在示范性应用阶段,远距离量子通信网尚未建成。
2016年,中国发射世界首颗量子通信卫星“墨子”,成功实现星-地量子通信,引起全球轰动。该项技术的突破不仅让我国量子通信网络覆盖到了光纤无法覆盖的地区,如南海诸岛、驻外使领馆、远洋舰艇等,更将助力我国构建覆盖整个地球的天地一体化量子通信网络。
“国之重器” 前景广阔
中国在量子通信领域取得领先优势,国盾量子功不可没。
在“京沪干线”、“武汉干线”等骨干网和北京、上海等多个城域网中,国盾量子的产品,被广泛用于网络的量子密钥分发。截至2018年末,我国已建成的量子保密通信网络光缆总长已达7000余公里,其中超过6000公里使用了国盾量子提供的产品,且已经在线运行。
在设备工作距离和组网能力等核心指标上,国盾量子的密钥分发设备,已经代表了世界最领先水平。“京沪干线”中,国盾量子的设备最远部署距离已超过89KM,全球尚未有企业能够突破。在“墨子号”卫星实现的星-地连接中,公司产品举足轻重,在网络中运行数量达400台之多。而欧洲、东京等地,骨干网的量子设备尚只有十余台。
卓越的技术,让国盾量子在多项行业标准制定中,起到了牵头作用。在量子网络建设等领域,国盾量子牵头或参与了4项国际标准制定,有效助力中国在量子通信领域话语权的提升。“国之重器”,彰显了中国力量。
在政务、金融等安全性要求较高的行业,国盾量子产品已初步实现规模化应用。
政务领域,十九大、G20峰会、抗战70周年阅兵式等国家重大活动中,量子保密通信技术发挥了重要作用;金融领域,央行人民币跨境支付管理系统、企业网银等均使用了量子加密技术;电力领域,国家电网江苏、浙江等多省市电力系统已接入量子通信网络。
尽管已有成功应用案例,但受限于高成本、缺乏技术标准等因素,量子通信还不具备普惠大众的基础。一方面,量子密钥分发系统在光纤网的单跨段传输距离在百公里以内,长距离运输将增加设备部署成本,使技术难以普及到价格敏感的民用领域;另一方面,量子通信技术标准体系仍在建设当中,行业亟需出台规范,为商用提供制度保障。
国盾量子近些年来,一直不遗余力往这些方向努力。三年内,国盾量子密钥分发产品不仅价格下降近50%,并且在工作距离、传输速度等性能指标上,有显著提升。目前,公司产品在原则上已能适应大多数网络环境,处在大规模商业化应用的推广阶段。2016至2018年,公司营业收入和利润随着产品的持续推进保持相对稳定。
量子通信技术一旦突破成本等因素限制,进入大规模商用阶段,前景将广阔无比。根据英国政府发布的报告,量子保密通信短期内会在政府、国防等重要民生领域应用,而后扩展至各类企业,在云和大数据领域的信息传输中发挥至关重要的作用。长期随着规模的持续扩大,个人网络接入成本降低,量子通信技术将在海量终端设备中爆发。
量子通信技术革命的枪声已经响起,国盾量子作为领头羊,潜力巨大。
新科技出现之处,总伴随着此起彼伏的质疑声,唯有坚信者不懈钻研,直至改变世界。作为这场量子通信技术革命中最坚定的践行者,国盾量子日复一日的默默耕耘已经取得全球性的技术突破。我们期待国盾量子通信技术进一步突破,直至改变整个世界信息传输方式的那一天。
