PDF《19 个重大科技突破》

院刊 未来10年中国可能发生的19个重大科技突破 * 修改稿收到日期: 2013年9月9日 未来10年中国可能发生的 19个重大科技突破 量子通信, 即量子密钥分发, 是利用量 子态对信息进行编码并传递的一种新型的 通讯方式.

基于量子力学的基本原理, 量子 密钥具有不可复制性和无条件安全性: 一旦 有人窃取密钥, 就必然会被使用者发现, 从 而保证密钥的安全;

而一旦密钥建立, 加密 的信息就无法被破解.

1984 年, IBM 的C. H. Bennett 和蒙特利 尔(Montreal) 大学的G. Brassard共同提出第 一个量子密码分配协议――BB84 协议, 自 此叩开了量子保密通信的大门.此外还有

1991 年由牛津大学 A. K. Ekert 提出 E91 协议、

1992 年由 Bennett 提出 B92 协议等, 这些 协议本质上和 BB84 协议是一致的.如今, 量子通信已经成为国际量子物理和信息科 学与技术的研究热点, 极有可能引发信息产 业的一次重大革命.

1 量子通信的成果不断涌现 在短短的

30 年中, 量子通信的研究和 应用不断取得世界瞩目的重大突破. 量子通信的第一个演示性试验是由 Bennett、 Brassard 及其研究团队在

1989 年完 成的, 传输距离只有 30cm.瑞士日内瓦大 学1993年基于BB84协议在1.1km长的光纤 中传输1.3μm 电信波长的量子光信号.1999年, 瑞典和日本合作在光纤中成功地进 行了 40km 的量子密码通信实验.美国 Los Alamos 实验室成功实现了 48km 量子密钥 系统运行两年, 2000年他们在自由空间中使 用量子密钥分发系统, 传输距离为1.6km. 2000年以来, 量子通信的距离和速率有 了进一步的提升, 一些小规模的量子通信试 验网已经建成, 验证了量子通信技术网络化 的可行性.而利用光纤实现城市范围的量 子通信网络、 利用中继连接城域网形成城际 网、 利用自由空间实现远距离量子通信, 这 一实现广域量子通信网络的路线图, 已得到 国际公认. 2003年, 美国国家标准与技术研究院和 波士顿大学的科研人员研制出一种能探测 量子通信将可能率先取得重大突破 整理撰稿人: 中科院国家科学图书馆总馆交叉与重大前沿团队 李泽霞 (E-mail:[email protected]) 、 边文越 审稿专家: 中科大陆朝阳教授

601 2013年.第28卷.第5期 科技发展新态势与面向

2020 年的战略选择 Vision 2020: The Emerging Trends in Science &

Technology and Strategic Option of China 到单脉冲光的探测器, 它为开发安全量子通信和 密码系统提供了关键技术.2004 年, 日本 NEC 公 司宣布创下了光纤量子密码传输距离的新记录: 150km.同年, 在美国国防部先进研究项目局 (DARPA) 支持下, 由美国雷神 (BBN) 技术公司和 波士顿大学建立的世界上第一个量子密码通信网 络在美国马萨诸塞州剑桥城正式投入运行. 然而, 由于量子密钥分发方案要求单光子源, 而现实条件下不存在理想的单光子源, 一般采用 弱相干光源代替.理论表明, 弱相干光源会导致 巨大的安全性漏洞, 在信道损耗达到一定程度时, 攻击者可以利用 分离光子数(Photon Number Splitting) 攻击, 完全掌握密钥而不被使用者发 现.因此,

2005 年以前所有的实验都是原理性演 示, 真正的安全距离只有 10km 量级, 且成码率极 低.2005 年, 中国学者王向斌、 陈凯等人提出的诱 骗态 (Decoy State) 方案, 克服了光源不完美带来 的安全漏洞, 使得利用弱相干光源同样可以实现 安全距离超过百公里的量子通信.2007 年, 超过