NICT特别研究员佐佐木雅英谈有助于构建安全社会的量子通信

ICT 2017年09月15日
日文

“世界上首次利用超小型卫星进行量子通信的实验获得成功”。 7月11日,日本国立研究开发法人情报通信研究机构(NICT)发表了意义深远的研究成果。就在8天前于东京召开的研讨会“开拓日中科学技术合作的新途径”中,中国科学技术部的创新局局长特别单独举出“量子通信”,认为这个领域是可以通过中日合作研究为双方带来巨大成果的领域。NICT发布的资料介绍,中国使用大型量子科学技术卫星和1200千米外的两个地球站进行的量子通信实验已经取得了成功。量子通信中不可或缺的技术是将发送的微弱光子信号复原的技术,而这项技术只有中国和日本拥有。日本和中国引领世界的量子通信究竟是什么?若能实现这项技术会给社会带来怎样的影响?就此采访了主持这项研究的NICT特别研究员佐佐木雅英。

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佐佐木雅英NICT未来ICT研究所主管研究员・NICT特别研究员

问:您为什么对量子通信这个全新的通信系统寄予期待?

与目前使用的光纤通信的技术相比,为了进行超高速·大容量通信,就必须实现量子通信系统。并且在彻底追求信息安全方面它也比光通信更加可靠。目前的光通信技术使用光纤,无论地上还是海底,每80千米就需要设置中转站。虽然它可以实现大容量通信,但在需要中转站这一点上和旧的通信网并无区别。

从全球范围看来,能铺设光纤进行大容量通信的区域是非常有限的。所以地球上大部分人并未享受到光纤进行大容量通信技术所带来的恩惠。如果卫星光通信能够实现的话,可以为人们的生活带来巨大的变化。因为无需再考虑由铺设光纤所耗费的金钱和时间,因此可以让地球上更多区域的人享受这项技术带来的恩惠。非洲、印度、中南美等地大约坐拥50亿的人口的巨大市场正在等待着我们。

正如谷歌地图能通过互联网轻易地看到世界陆地上的高精度画面那样,如果搭载卫星的相机能时常监视地上的状况的话,就可以带来各种新兴产业的蓬勃发展。但是,由于当下的通信方法和输送的通信量都十分有限,因此产生了量子通信这项无须考虑每80千米间隔设置中转站的宇宙通信网新技术的研究。此项技术若能实现,信息传送的效率能达到今天的一千乃至一万倍以上,甚至有时可以达到100万倍。

问:量子通信的另一特征——“量子密码”是什么?

现在对通信内容的保密主要使用的是RSA密码。RSA密码的原理是运用几乎无法进行因数分解的一个极大的数字进行加密,但即便如此也不能肯定密码不会被破译。但是量子密码是“绝对不能窃听的”。根据“不确定性原理”法则,光子是一个一个写入信息的,第三者想要窃听的话会让光子的状态产生变化,这意味着它实现了任何监听都会被发现的功能。

在此次通过小型卫星进行的实验中,量子密码还未达到可以投入现实使用的程度,但是可以认为这项基础技术已经得到了验证。

问:与中国的研究方法有什么不同?

中国在去年8月成功发射了重600公斤的低轨道卫星,还发射了重7吨的地球同步卫星。在今年6月使用被称为“墨子”的重600公斤的卫星进行了实验,并宣布成功向1200千米之外的2个地球站发送了“量子纠缠通信”(注)。中国科学技术大学为首的中国团队使用卫星今后将进行跨大陆范围的量子密码实验。

(注:代表性的量子力学现象之一。2个以上的量子(光子和电子等粒子)以古典力学中不可能出现的特殊相关连在一起的状态被称为量子纠缠。构成量子纠缠状态的量子中,通过测量确定了其中一个的信息的话,其他的粒子的信息便能被确认。量子纠缠通信指的是在远隔2地之间发送量子纠缠通状态,在2地间量子形成纠缠通量子状态的操作)

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量子通信实验所使用的超小型卫星概念图(NICT提供)

我们实验的特征是利用重50公斤大小,50厘米见方的小卫星“SOCRATES”成功进行了量子通信。环绕地球高速飞行的卫星发出的信号波长根据多普勒效应,在接近地球站的时候会移向短波长一边,远离的时候会移动到长波长一边。因此,传送到地球站的光子的到来时间间隔在卫星飞行过程中会存在时长时短的变化。如果对这种时刻变化不进行准确修正的话,会无法正确地处理信号。中国在卫星量子通信实验中,将量子通信用的激光和同步专用的短波激光安装到卫星里,实现了和地球站的时间同步。而我们只使用单一激光光源,同时实现了时刻同步和量子通信。

小型卫星通过这样的实验具有十分重大的意义。在量子通信的宇宙通信网实验中,每发射一个卫星要花费巨额的费用,这对我们而言是不现实的。当前通过政府带动的宇宙开发方法是不能适用的。为了让更多企业参与推动民间主导,必须利用低成本的小型卫星。光纤网的中转站的大小和家用冰箱差不多,当然不能使用那么大的卫星。而且和修理简单的地上装置不同,卫星必须要有备份功能。50厘米见方大小对于满足量子通信的未来发展而言,算是勉强能够达到合格的程度。

问:希望您介绍一下今后研究的方向和实现量子通信所需做的工作。根据前几天发布的资料,此次实证试验中使用的小型卫星的运用已经结束。

下一次小型卫星的发射计划尚未决定。可能还需要4、5年的时间,但这不代表我们的研究会因此出现空档。像目前使用的光纤大容量通信一样,投入实用还需要很长时间。光纤的量产技术、中转站的优化等都需要很长的时间。现在日本和中国的量子密码技术正处于实证的阶段。让更多企业参与之后能实现什么样的通信网络还很难说。

我们在地上的建筑之间也在开发新的技术。通信方式、密码方式如果有了头绪的话也会投入到宇宙中使用。在地上研究的技术如果不认真去做的话不能期待有好的成果。这大概需要4、5年的时间,可能也不是下次卫星发射这段空白时间里能完成的。配合各种技术的成熟,量子通信的实用化大约还需要10年以上的时间吧。。

就像虽然实证了某地区的模型系统好用,但是不能就断定此系统可以装入所有人电脑中使用一样,不能因实证量子通信、量子密码的基础技术,因此也就认为量子通信优于既存通信系统。幸运的是在日本有各种企业通力协作,这可以说与他国相比我们是走在前面的。目前在欧洲虽然也有庞大的立项,但是因为由物理学家主导,还未能吸引到产业界的关注。预计美国也通过军事预算在进行此类研究,不过内容当前不明。

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问:虽然量子暗号在军事上所起到的重要作用是可以想象的,可对于大众而言大幅提高通讯的保密性的好处是什么呢?我难以想象。

去年5月,在三重县志摩市召开的伊势志摩高峰会议(第42回发达国家首脑会议)时,在会议场周围海域采取了禁止运送LNG(液化天然气)油轮进入的措施。这是因为害怕受到网络攻击入港的油轮万一爆炸的话,会产生巨大的伤害。现在通过“密码锁”进行的通信内容秘密保护方法并不能完全防止像油轮爆炸这样的网络恐怖攻击。因为规模完全不同,2020年的东京奥运会·残奥会时不能采取和伊势志摩峰会同样的应对措施。

当然只靠量子密码也无法防止网络攻击。还需充分调查电波使用和物流状况,通过卫星和地上的多种设施、船舶、飞机的联动来实现系统安全。实际上当前使用的卫星通信系统也是各种技术的集大成。只有设定合适的目标,就此努力的机构才能抓住机会。当无法预期的转机到来时,不先他人一步立即应对的话是无法取得成功的。

采访・照片/小岩井忠道(JST中国综合研究交流中心)


佐佐木雅英(SASAKI Masahide)个人资料
1986年毕业于日本东北大学理学部。92年同大学研究生院理学研究科博士毕业。经历在NKK(现JFE控股公司)的任职,96年进入邮政省通信综合研究所(现NICT)。2001年起担任NICT基础先端部门量子情报技术小组组长,06年起担任新世代网络研究中心光波量子・毫米波ICT小组 (量子情报通信项目)研究经理,08年起担任该中心量子ICT小组组长,11年担任未来ICT研究所量子ICT研究室长,16年起担任未来ICT研究所主管研究员。同年担任ICT特别研究员。理学博士

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2017年07月06日客観日本「中国科技部长万钢在中日研讨会上呼吁:展开促进社会发展和面向未来的合作」
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