海水量子通信：讓黑客望洋興嘆

　　近日，量子通信領(lǐng)域捷報(bào)頻傳，上海交通大學(xué)金賢敏團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)首個(gè)海水量子通信實(shí)驗(yàn)，在國(guó)際上首次驗(yàn)證了水下量子通信的可行性，為量子通信技術(shù)上天、入地、下海的未來(lái)圖景添上了濃墨重彩的一筆，填補(bǔ)了海洋作為未來(lái)海陸空一體化量子網(wǎng)絡(luò)最后一塊拼圖的空缺。

　　一石激起千層浪。消息引發(fā)了國(guó)內(nèi)外媒體的熱議。海水量子通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)究竟有何難處?能在哪些領(lǐng)域大顯身手呢?

　　填補(bǔ)最后一塊拼圖

　　目前，基于光纖和衛(wèi)星的量子通信已被證明可行，覆蓋地球面積70%的海洋是否也能用作量子通信信道呢?

　　利用可見(jiàn)光進(jìn)行水下通信的想法可追溯到上世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)一系列實(shí)驗(yàn)證明400納米—550納米的藍(lán)綠可見(jiàn)光在海水中的衰減遠(yuǎn)小于其他可見(jiàn)波段，即可作為水下通信的“透明窗口”。隨著美軍提出衛(wèi)星—潛艇通信可行性研究之后，激光對(duì)潛艇通信迅速成為美國(guó)的戰(zhàn)略性研究計(jì)劃。但海水對(duì)電磁波能量的吸收作用很強(qiáng)，且波長(zhǎng)越短，衰減越大，即便有這種“透明窗口”，在水下幾米深處對(duì)衛(wèi)星和飛行器進(jìn)行保密通信，也成為海水的“通信禁區(qū)”。

　　金賢敏對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者說(shuō)，海水能否作為量子通信信道一直是個(gè)未解之謎，英美科學(xué)家做過(guò)一些理論研究，但迄今未曾進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)探索。

　　此次，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中選擇光子的極化作為信息編碼載體，并通過(guò)模擬證明，即使經(jīng)歷了海水巨大的信道損耗，極化編碼的光子也只會(huì)丟失，而不會(huì)發(fā)生量子比特翻轉(zhuǎn)，也就是說(shuō)，只要存留下少量單光子，仍可被用于建立安全密鑰。

　　國(guó)外媒體稱(chēng)之為里程碑

　　最新成果于8月以《邁向自由空間海水中的量子通信》為題的長(zhǎng)文，發(fā)表在國(guó)際光學(xué)領(lǐng)域著名期刊《光學(xué)快報(bào)》雜志上，并被選為編輯推薦文章。

　　嗅覺(jué)靈敏的國(guó)際科學(xué)雜志《新科學(xué)家》緊隨其后，8月23日也以《首個(gè)水下量子糾纏將導(dǎo)致不可破譯通信技術(shù)》為題進(jìn)行了報(bào)道。加拿大量子衛(wèi)星項(xiàng)目負(fù)責(zé)人托馬斯·詹內(nèi)懷恩對(duì)《新科學(xué)家》雜志表示，雖然以前也討論過(guò)水下量子通信的想法，但一直沒(méi)有任何人做過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)。

　　同日，美國(guó)知名科技博客“TheNextWeb”以《科學(xué)家發(fā)展了基于海水傳態(tài)的不可破譯通信技術(shù)》為題進(jìn)行了報(bào)道。美國(guó)基礎(chǔ)問(wèn)題研究所(FQXI)更是將該工作視為繼“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星之后，中國(guó)在量子通信領(lǐng)域的又一里程碑式成果。

　　《每日郵報(bào)》在8月24日的報(bào)道中指出：“最新技術(shù)朝著在全球海洋中，使用激光發(fā)送無(wú)法破解的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)邁出了重要的第一步。”

　　有望在軍事領(lǐng)域大展拳腳

　　海水量子通信有何具體應(yīng)用呢?詹內(nèi)懷恩對(duì)《新科學(xué)家》雜志說(shuō)：“借助海水量子通信技術(shù)，潛艇將能以更安全的方式相互通信。”

　　金賢敏團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，可預(yù)期的水下量子通信最遠(yuǎn)距離可達(dá)數(shù)百米，足以對(duì)水下百米量級(jí)的潛艇和傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等進(jìn)行保密通信，從而在軍事和高商業(yè)機(jī)密領(lǐng)域大顯身手。

　　金賢敏滿懷憧憬地說(shuō)：“未來(lái)，我們可以想象一個(gè)由數(shù)百個(gè)相距百米的海上移動(dòng)基站所構(gòu)成的海上局域量子通訊網(wǎng)絡(luò)，或者是由一艘艦艇作為中繼站，來(lái)保證衛(wèi)星與海底潛艇之間絕對(duì)安全的量子通信。”

　　不僅如此，《每日郵報(bào)》的報(bào)道還稱(chēng)，使用水下方法傳輸數(shù)據(jù)會(huì)比借助衛(wèi)星傳輸更快且更廉價(jià)。

　　海陸空一體量子通信時(shí)代可期

　　《新科學(xué)家》雜志的報(bào)道指出，盡管這一實(shí)驗(yàn)取得了成功，但我們并不清楚這是否足以創(chuàng)建出一個(gè)通信系統(tǒng)。

　　美國(guó)密蘇里大學(xué)的杰弗瑞·烏爾曼也說(shuō)：“因?yàn)楹Ｋ畷?huì)吸收光，所以，要想延長(zhǎng)距離很難。一個(gè)解決辦法是使用中繼站，但就此刻而言，距離實(shí)際應(yīng)用還有比較長(zhǎng)的路要走。”

　　對(duì)此，金賢敏表示，這只是一個(gè)開(kāi)始。他們計(jì)劃在未來(lái)進(jìn)行外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，攻克一系列技術(shù)難題，比如克服海水的晃動(dòng)對(duì)光子的影響，進(jìn)一步提高光子在海水中的傳播距離。此外，他們還會(huì)探索利用糾纏光子來(lái)實(shí)現(xiàn)水下量子隱形傳態(tài)，探索量子中繼實(shí)驗(yàn)的可行性。

　　金賢敏說(shuō)：“也許，在不久的將來(lái)，可實(shí)用的水下、空海一體的量子通信時(shí)代就會(huì)到來(lái)。”

　　光子極化編碼的量子態(tài)在海水中傳輸示意圖

　　海水中的量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置圖