海水量子通信：让黑客望洋兴叹
----海陆空一体的量子通信时代或将到来
本报记者 刘霞
近日，量子通信领域捷报频传，上海交通大学金贤敏团队成功实现首个海水量子通信实验，在国际上首次通过实验验证了水下量子通信的可行性，为量子通信技术上天、入地、下海的未来图景添上了浓墨重彩的一笔，填补了海洋作为未来海陆空一体化量子网络最后一块拼图的空缺。
一石激起千层浪。消息引发了国内外媒体的热议。海水量子通信技术的实现究竟有何难处？能在哪些领域“大显身手”呢？
填补最后一块拼图
目前，基于光纤和自由空间大气信道（量子通信卫星）的量子通信已被证明可行。那么，覆盖地球面积70%的海洋能否用作量子通信信道呢？
利用可见光进行水下通信的想法可追溯到上世纪60年代，当时，一系列实验证明400nm-550nm的蓝绿可见光在海水中的衰减远小于其他可见波段，即可作为水下通信的“透明窗口”，随着美国海军提出卫星—潜艇通信可行性研究之后，激光对潜艇通信迅速成为美国的战略性研究计划。但海水对电磁波能量的吸收作用很强，且波长越短，衰减就越大，即便有这种“透明窗口”，在水下几米深处对卫星和飞行器进行保密通信，也成为海水的“通信禁区”。
金贤敏对科技日报记者解释道，海水因为盐度、悬浮颗粒，以及密度变化导致折射率变化等因素，对光子导致的散射和吸收效应相对大气和光纤要大得多，海水能否作为量子通信信道一直是个未解之谜，英美科学家做过一些理论研究，但迄今未曾进行过实验探索。
金贤敏说：“其实，海水也有一个光子传输时损耗较低的蓝绿窗口，且其能被商用单光子探测器探测到。因此，海水量子通信理论上是可行的。而且，缺少了海洋，全球化的量子通信网络是不完整的。”
在最新实验中，他们选择光子的极化作为信息编码载体，并通过模拟证明，在非常大的损耗和散射下，极化编码的光子只会丢失，而不会发生量子比特翻转。也就是说，即使经历了海水巨大的信道损耗，只要有少量单光子存活下来，仍可被用于建立安全密钥，证明了海水量子通信的可行性。
国外媒体称之为里程碑
最新成果于8月以《迈向自由空间海水中的量子通信》为题的长文，发表在国际光学领域著名期刊《光学快报》杂志上，并被选为编辑推荐文章。
嗅觉灵敏的国际科学杂志《新科学家》紧随其后，本月23日也以《首个水下量子纠缠将导致不可破译通信技术》为题进行了报道。加拿大量子卫星项目负责人托马斯·詹内怀恩对《新科学家》杂志表示，虽然以前也讨论过水下量子通信的想法，但一直没有任何人做过这样的实验。
同日，美国知名科技博客“TheNextWeb”以《科学家发展了基于海水传态的不可破译通信技术》为题进行了报道。美国基础问题研究所（FQXI）更是将该工作视为继“墨子号”量子卫星之后，中国在量子通信领域的又一里程碑工作。
《每日邮报》在24日的报道中指出：“最新技术朝着在全球海洋中，使用激光发送无法破解的互联网数据迈出了重要的第一步。”
有望在军事领域大展拳脚
海水量子通信有何具体应用呢？詹内怀恩对《新科学家》杂志说：“借助海水量子通信技术，潜艇将能以更安全的方式相互通讯。”
金贤敏团队的实验结果显示，可预期的水下量子通信最远距离可达数百米，虽然这个距离相比光纤和大气信道较短，但能对水下百米量级的潜艇和传感网络节点等进行保密通信，已经足以在军事和高商业机密领域“大显身手”。
金贤敏满怀憧憬地说：“未来，我们可以想象一个由数百个相距百米的海上移动基站所构成的海上局域量子通讯网络，或者是由一艘舰艇作为中继站，来保证卫星与海底潜艇之间绝对安全的量子通信。”
不仅如此，《每日邮报》的报道还称，使用水下方法传输数据会比借助卫星传输更快且更廉价。
海陆空一体量子通信时代可期
《新科学家》杂志的报道指出，尽管这一实验取得了成功，但我们并不清楚这是否足以创建出一个通信系统。
美国密苏里大学的杰弗瑞·乌尔曼也说：“因为海水会吸收光，所以，要想延长距离很难。一个解决办法是使用中继站，但此刻而言，距离实际应用还有比较长的路要走。”
对此，金贤敏表示，这只是一个开始。他们计划在未来进行外场实验，攻克一系列技术难题，比如克服海水的晃动对光子的影响，进一步提高光子在海水中的传播距离。此外，他们还会探索利用纠缠光子来实现水下量子隐形传态，探索量子中继实验的可行性。
金贤敏说：“也许，在不久的将来，可实用的水下、空海一体的量子通信时代即将到来。”
后记：
量子技术尤其是量子通信已成为新时代的科技发展热点，引无数国家竞折腰。如欧盟在2016年3月发布《量子宣言》，并于两个月后在欧盟量子大会上宣布启动10亿欧元的“量子技术旗舰计划”，以确保欧盟在量子技术领域的领先和主导地位；美国当然也不甘示弱，美国国家科学基金会（NSF）也于2016年6月正式提出将“量子飞跃：引领下一代量子革命”作为未来重点支持的六大科研前沿之一。中国也在量子通信领域不断发力并相继取得重大突破。8月10日，“墨子号”量子卫星提前并圆满实现全部三大既定科学目标：量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态。所有这些，让我们对量子通信技术的未来充满了信心。
