導(dǎo)讀：

目前量子密碼術(shù)的安全傳輸距離紀錄是404公里。如何在更長的距離上實現(xiàn)量子保密通信？科學(xué)家們提出了兩條技術(shù)路線。一條技術(shù)路線是，在地面上每隔一段距離加一個中繼器。另一條技術(shù)路線是，用衛(wèi)星作中繼器。開創(chuàng)量子互聯(lián)網(wǎng)，將是中國對世界的重大貢獻。

前文參見：

你完全可以理解量子信息（1） | 袁嵐峰

你完全可以理解量子信息（2-3） | 袁嵐峰

你完全可以理解量子信息（4-5） | 袁嵐峰）

你完全可以理解量子信息（6） | 袁嵐峰）

你完全可以理解量子信息（7） | 袁嵐峰

你完全可以理解量子信息（8-10）| 袁嵐峰

你完全可以理解量子信息（11-12）| 袁嵐峰

你完全可以理解量子信息（13）| 袁嵐峰

你完全可以理解量子信息（14）| 袁嵐峰

十五、量子密碼術(shù)的工程成果

以上是量子密碼術(shù)的基本原理。為了把這些原理付諸實踐，還有大量的工程技術(shù)性質(zhì)的問題。

舉個例子，BB84協(xié)議要求A每次只發(fā)一個光子。但實際的單光子光源效率很低，用它會導(dǎo)致成碼率非常低，比如說幾百年才能生成一個字節(jié)的密鑰。絕大多數(shù)實驗用的是效率高的激光光源，但激光不是嚴格的單光子，有一定的幾率在一個脈沖中出現(xiàn)多個光子，這就給竊聽者留下了可乘之機。

原則上，竊聽者E可以在遇到單光子時攔截下來不讓通過，在遇到多個光子時拿走一個，讓其余的光子通過。通信雙方難以分辨光子的減少是來自竊聽還是來自信道的自然損耗，于是在他們公布a和b序列之后，E就知道了該用什么基組去測量自己偷走的這些光子，然后就可以得到密鑰。這一招叫做“光子數(shù)分離攻擊”。

實際上，對經(jīng)典通信竊密的基本思路也是一樣的：從大量的信號中偷走一部分，讓通信方無法察覺。許多影視作品中有類似這樣的情節(jié)：相距遙遠的兩地之間的通信是通過一根巨大的光纜實施的，竊聽者知道這條光纜經(jīng)過某棟建筑，就把這棟建筑租下來，在里面布置設(shè)備，從光纜上分走了一部分信號。

量子密碼術(shù)之所以要用單光子，妙處正在于此?；仡櫼幌卤疚拈_頭“量子”的概念就能理解，單個光子已經(jīng)是最小的單元了，所以竊聽者無法只偷一部分。

實驗條件的種種不完美之處，會給量子密碼術(shù)的安全傳輸距離設(shè)置一個上限，超過這個距離就可能泄密。在量子密碼術(shù)最初的實驗中，傳輸距離不到1米。到21世紀初，安全傳輸距離提高到了10公里的量級。但由于上述的激光不是單光子的問題，安全傳輸距離無法提高到20公里以上。當(dāng)時許多科學(xué)家認為這項技術(shù)已經(jīng)到頭了，對它失去了興趣。

光子數(shù)分離攻擊

然而，2003-2005年，韓國科學(xué)家黃元瑛（Hwang W. Y.）和中國科學(xué)家王向斌、羅開廣等人想出了一種巧妙的辦法，就是前面提到的“誘騙態(tài)協(xié)議”。激光光源發(fā)射的光子數(shù)有一定的分布，發(fā)射許多光脈沖就相當(dāng)于發(fā)射一些單光子脈沖、一些多光子脈沖和一些零光子脈沖（也就是沒發(fā)）。在脈沖的平均光子數(shù)小于1時，誘騙態(tài)方法可以使得實驗等效于只用單光子脈沖。對于量子密碼術(shù)的安全性而言，這相當(dāng)于把實際的不完美的光源變成了完美的單光子源。

克服了這個重要障礙以后，量子密碼術(shù)的安全傳輸距離開始迅猛增長，不斷刷新紀錄。自那以來，大多數(shù)紀錄都是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的實驗團隊創(chuàng)造的。

對量子密碼術(shù)的另外一類攻擊是在探測器上，實際體系中大部分漏洞來自于此。例如，原則上用強激光照射接收器可以將其“致盲”，然后就可以控制它，欺騙通信者。為此，人們又發(fā)明了安全性與測量儀器無關(guān)的量子密鑰分發(fā)技術(shù)。這個新技術(shù)是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊率先實現(xiàn)的，被評為2013年全球物理學(xué)十大進展和2014年中國十大科技進展之一。

2016年8月16日，墨子號量子衛(wèi)星上天時，光纖中的安全傳輸距離已經(jīng)超過了200公里。2016年11月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、濟南量子技術(shù)研究院等單位合作，又把安全傳輸距離提高到了404公里，而且在102公里處的安全成碼率已經(jīng)足以保證安全的語音通話。也就是說，間隔102公里的量子保密電話已經(jīng)是在技術(shù)上可行的了。

幾百公里的范圍，對于一個城市內(nèi)部的通信來說是夠用了，我國確實在合肥、蕪湖、北京、上海、濟南等地建設(shè)了實驗性的量子政務(wù)網(wǎng)。但對于城市之間、國家之間甚至大洲之間的通信，幾百公里的距離遠遠不夠。也就是說，單憑光纖的話，量子密碼術(shù)就好比以前的“小靈通”，只能在一個城市內(nèi)部用。要實現(xiàn)從小靈通到手機的跨越，還需要另辟蹊徑。

如何在更長的距離上實現(xiàn)量子保密通信？科學(xué)家們提出了兩條技術(shù)路線。

一條技術(shù)路線是直截了當(dāng)容易想到的，每隔一兩百公里加一個中繼器。

跟BB84協(xié)議的原理相比，量子密碼中繼器的原理真是簡單到爆。如果你看前者看得云里霧里，請放心，下面這一段你肯定能看懂。

假設(shè)我們有一串節(jié)點，記作1號、2號、3號……，最后是N號。先在1號和2號之間建立量子通信，產(chǎn)生一個密鑰，記作k1。然后在2號和3號之間建立量子通信，產(chǎn)生一個密鑰，記作k2。2號把k1作為待傳輸?shù)拿魑?，用k2對它加密，傳輸給3號。3號同樣把k1傳輸給4號，4號把k1傳輸給5號，……一路把k1傳輸給N號。最后1號把真正要傳輸?shù)男畔⒂胟1加密，用任意的通信方式傳給N號，就完成了。Give me five！

如果你要問，帶中繼的量子密碼術(shù)安全性如何？回答是：這取決于你跟誰比。好比你問，關(guān)羽的武力怎么樣？那么跟呂布比和跟顏良比，答案完全不同。（顏良：我招誰惹誰了？）

跟兩點之間直接連接的量子密碼術(shù)相比，安全性是下降了。因為現(xiàn)在所有的N個節(jié)點都知道密鑰k1，你必須守住中間的N-2個中繼器，任何一個中繼器被敵方攻破都會泄密。

但是跟經(jīng)典通信比，安全性還是要高得多。因為在經(jīng)典通信中，漫長的通信線路上每一點都可能泄密，每一點你都要防御，這是個令人望而生畏的任務(wù)。現(xiàn)在你只需要防守明確的N-2個節(jié)點，防線縮短了很多，安全性自然大大提升。

我國已經(jīng)基本建設(shè)好了量子保密通信“京滬干線”，過不久也許你就會聽到它正式開通的消息。京滬干線實際做的事情，就是在北京、濟南、合肥、上海的內(nèi)部量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過幾十個中繼節(jié)點把它們連接起來。這樣，就可以在兩千公里的范圍內(nèi)，實現(xiàn)量子保密通信。

量子保密通信京滬干線

有趣的是，對京滬干線最熱心的不是科學(xué)家，而是金融系統(tǒng)的用戶。中國工商銀行等若干金融機構(gòu)已經(jīng)在試用量子密碼術(shù)了，不過由于安全傳輸距離的限制，只能在一個城市內(nèi)部使用。如果能在城際使用，對銀行顯然大有好處，可以開展很多以前不能開展的業(yè)務(wù)。因此，在推動京滬干線的建設(shè)上，這些銀行比香港記者跑得還快！

另一條技術(shù)路線，就玩得大了，玩到天上去了：用衛(wèi)星作中繼器。

用衛(wèi)星作中繼器，優(yōu)點是顯而易見的：比如說衛(wèi)星這個時刻在中國上空，下個時刻在歐洲上空，那么就可以實現(xiàn)中國和歐洲之間的量子保密通信。將來建成20顆衛(wèi)星的星座，就可以覆蓋全球。

衛(wèi)星量子通信示意圖

但困難也是顯而易見的：以前光子的傳輸都通過光纖，現(xiàn)在什么介質(zhì)都不用，而且一個光脈沖只能發(fā)一個光子，這樣的“自由空間傳輸”能收到信號嗎？還有，衛(wèi)星跟地面處于高速的相對運動之中，把雙方的探測器對準，是天地之間的“針尖對麥芒”，精度相當(dāng)于“在五十公里以外把一枚一角硬幣扔進一列全速行駛的高鐵上的一個礦泉水瓶里”（請一口氣念完這個句子?。?。以這么高的對準精度，接收弱得不能再弱的光信號（真的不能再弱了，再弱就什么都沒有了），這是多么大的挑戰(zhàn)！

明知山有虎，偏向虎山行。“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星就是做這件事的，而且做成了。

關(guān)于第一個問題，自由空間傳輸其實完全是可行的。光子在真空中基本沒有損耗，所以只需要考慮在大氣層中的損耗就行了。而在某些波段，光子穿過10公里厚的大氣層只損耗20%。所以在同樣相距上千公里的情況下，自由空間傳輸?shù)男时裙饫w高得多，前者只有一小部分距離（大氣層）有損耗，后者每一寸光纖都實打?qū)嵉赜袚p耗。2012年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊就在青海湖的湖心島實現(xiàn)了百公里級的雙向量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，驗證了量子通信衛(wèi)星的可行性。

青海湖湖心島的百公里級量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實驗

關(guān)于第二個問題，星地對準的控制難度雖然高，但也在當(dāng)代技術(shù)的能力范圍之內(nèi)。墨子號發(fā)射之后，已經(jīng)多次跟地面站實現(xiàn)了對準。星地對準不是用生成密鑰的那個單光子來做的，而是用另外的信標光。你不可能看見單光子，因為這個單光子如果進了你的眼睛，就不會被探測器收到了。你看到的紅色和綠色的光，是信標光。

由此，墨子號出人意料地繁榮了我國的藝術(shù)舞臺，成就了一場星空攝影師的狂歡。他們通過重疊曝光等手段制作了很多精美的藝術(shù)照片，鼓舞大家仰望星空，治好了許多人的頸椎病。下面這張照片是新華社的記者在興隆站拍攝的，紅光和綠光分別是地面站和衛(wèi)星的信標光，背景是群星運動的軌跡，即“星軌”。藝術(shù)和科技結(jié)合，美不勝收！

星軌背景下墨子號量子衛(wèi)星與興隆站用信標光對準

墨子號是世界第一顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，科學(xué)目標包括三大實驗，即星地之間的量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)和量子糾纏分發(fā)。

2017年6月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、彭承志等人在《科學(xué)》雜志上發(fā)表文章，宣布在國際上率先實現(xiàn)了千公里級的星地雙向量子糾纏分發(fā)，并以此為基礎(chǔ)對量子力學(xué)的基本原理進行了實驗檢驗（檢驗的結(jié)果，自然是“量子力學(xué)還是對的”）。2017年8月，他們又在《自然》雜志上發(fā)表文章，在國際上首次實現(xiàn)了從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)和從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)。至此，墨子號的三大科學(xué)目標提前并圓滿實現(xiàn)。

量子隱形傳態(tài)實驗示意圖

有了以上的背景知識，你就可以看明白報道中的科學(xué)術(shù)語和技術(shù)指標了：“墨子號”量子衛(wèi)星過境時，與河北興隆地面光學(xué)站建立光鏈路，通信距離從645公里到1200公里。在1200公里通信距離上，星地量子密鑰的傳輸效率比同等距離地面光纖信道高20個數(shù)量級（萬億億倍）。衛(wèi)星上量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)送4000萬個信號光子，一次過軌對接實驗可生成300 kbit的安全密鑰，平均成碼率可達1.1 kbps。

最后，無論是哪條技術(shù)路線，地面中繼器還是衛(wèi)星中繼器，都是未來的量子保密互聯(lián)網(wǎng)的重要的基礎(chǔ)設(shè)施，就像通信網(wǎng)絡(luò)對于互聯(lián)網(wǎng)一樣。網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)特征之一就是“邊際收益遞增”，即網(wǎng)絡(luò)中已有的用戶越多，新用戶得到的好處就越大。建好基礎(chǔ)設(shè)施，有了足夠多的用戶，用戶的創(chuàng)造性就會迸發(fā)，奇跡就會創(chuàng)造出來，這是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一般規(guī)律。

30年前，20年前，甚至10年前，都沒有人預(yù)見到互聯(lián)網(wǎng)今天的樣子，自媒體、網(wǎng)上購物、移動支付等創(chuàng)新超越了所有人的想象?？梢灶A(yù)期，這一幕在量子保密網(wǎng)絡(luò)中也將重演。開創(chuàng)量子互聯(lián)網(wǎng)，將是中國對世界的重大貢獻。

（未完待續(xù)）

背景簡介：本文作者為袁嵐峰，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)博士，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室副研究員，科技與戰(zhàn)略風(fēng)云學(xué)會會長。