或许到现在为止,很多人都不是很清楚量子通信、量子计算到底好在哪里?甚至对于什么是量子也是迷迷糊糊的搞不清楚。见有解释称,量子通信和计算的优点有很多,可以简单的理解为量子通信在于安全,量子计算在于快速,而量子通话手机自然也是“安全”,这样解释倒也可以,不过,终究因为距离太远,量子还是有点“玄乎”。

 

一、什么是量子通讯

量子通讯(Quantum Communication)是指利用量子力学原理对量子态进行操控的一种通信形式,可以有效解决信息安全问题。量子通信是量子信息学的一个重要分支,它利用量子力学原理对量子态进行操控,在两个地点之间进行信息交互,可以完成经典通信所不能完成的任务。量子通信是迄今唯一被严格证明无条件安全的通信方式,可以有效解决信息安全问题。


二、量子通讯原理

量子通信的原理只要有量子纠缠、量子不可克隆定理、秘钥分配和隐形传态四个部分。与传统的密码学不同,量子密钥分配是密码学与量子力学相结合的产物,它以量子态为信息载体,利用量子力学的一些基本物理原理来传输和保护信息。

 

(1)量子纠缠

量子纠缠描述复合系统(具有两个以上的成员系统)之一类特殊的量子态,此量子态无法分解为成员系统各自量子态之张量积。量子纠缠技术起到安全的传输信息的目的。利用固定的两个量子态纠缠的粒子,携带信息传递到另一个地区,根据纠缠原理,必须是和它纠缠的粒子才可与其再次形成纠缠态。这样便可以起到很好的加密作用:即 A 和 B 两个纠缠的粒子表达一定的信息,以 A 为密钥,把 B 传送到另一地点,那么若想破译信息,则必须用 A 粒子再次和 B 形成纠缠态方可破译。这样大大保证了信息传递的安全,且破译具有唯一性。

 

(2)量子不可克隆定理

其具体内容可从以下三方面表述:

①不存在任何物理过程,能做出两个不同的非正交态的完全拷贝。

②量子系统的任意未知量子态不能被完全拷贝。

③要从编码在非正交量子态中获得信息,这些态不遭破坏是不可能的。

 

(3)量子密钥分配

秘密通信依赖于密钥,如果发送者 Alice 和接收者 Bob 通信双方拥有他们自己才知道的私人密钥,就可以进行秘密通信。Alice 可以把密钥的对应位加上她的消息编码的每一位,发送给 Bob,Bob 收到这个随机位串后,利用密钥就可提取出 Alice 发来的消息。窃听者即使截获传输中的信号,也不可能获得任何消息,因为单独传输中的位串本身并不携带消息,消息是编码在传输串和密钥相关中的。

 

(4)量子隐形传态

量子隐形传态又称量子遥传、量子隐形传输、量子隐形传送、量子远距传输或量子远传,是一种利用分散量子缠结与一些物理讯息的转换来传送量子态至任意距离的位置的技术,是一种全新的通信方式。它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息。

 

三、量子通讯工作方案

量子通信有两种方案。

 

一种是直接通信方案,常见的如“乒乓协议“等,是采用量子通信手段直接传送信息。这种方案也叫量子隐形传态,是将甲地的某一粒子的未知量子态,瞬间转移给乙地的另一个粒子。但量子隐形传态目前处于实验室阶段,在实际的量子通信中尚未有成功实现的报道。

 

另一种应用最广、发展势头正猛的是间接通信方案,也称为量子密钥分发方案。它有两个信道:一个是经典信道,使用普通的有线或无线方法发送密文;另一个是量子信道,专门用于产生密钥。每发送一次信息,通信双方都要重新生成新的密钥,即每次加密的密钥都不一样,实现了报文发送的“一次一密”,并且在密钥发送的过程中还可以检测有无侦听者,所以它可以在原理上实现绝对安全可靠的通信。目前所谓的量子通信一般采用的是通过量子信道分发密钥的方案。

 

四、量子通讯发展现状

量子通信技术自从 1992 年第一个量子密钥分发实验成功以来,在国内外都得到了迅猛发展。

 

国外发展

为了解国外的发展历程,下面列出国外的几个量子通信实验:

(1)1993 年,英国国防部研究局实现了在光纤中利用 BB84 协议进行了 10km 距离上的量子密钥分发。

(2)2000 年,美国阿拉莫斯国家实验室实现了 1.6km 自由空间的量子密钥分发。

(3)2002 年,瑞士日内瓦大学的 Gisin 小组在 67km 的光纤上演示了量子密钥分发。

(4)2004 年,日本 NEC 公司在光纤上量子密钥分发距离达到了 150km。

(5)2006 年,德国、奥地利、意大利、英国的 4 所大学在两个海岛之间进行了夜晚 144km 的自由空间量子密钥分发实验。

(6)2008 年,欧盟在维也纳开通了有 8 个用户的量子网络

(7)2008 年,意大利和奥地利的科学家首次识别出从 1500km 高的卫星上反射回地球的单批光子,从而为星地量子通信打下了基础。

(8)欧盟计划于 2017 年发射量子通信卫星,实现星地量子通信。

 

国内发展

在国内,量子通信以中国科技大学的潘建伟和郭光灿两个研究小组为主,他们的研究成果经常发表于《Nature》等重要国际刊物。可以说,中国的量子通信水平已居世界前列。以下是中国学者在量子通信领域的主要发展历程:

 

(1)1995 年,中国科学院物理所首次用 BB84 协议完成了演示实验。

 

(2)2003 年,中国科技大学在校园内铺设了 3.2km 的量子通信系统。

 

(3)2005 年,郭光灿小组在北京和天津之间完成了 125km 的光纤量子通信实验。

 

(4)2012 年,潘建伟团队建设成功“合肥城域量子通信实验示范网”。该网络有 46 个节点,连接 40 组“量子电话”用户和 16 组“量子视频”用户。

 

(5)2012 年,中国学者在青海湖完成了百公里量级纠缠光子对的量子密钥分发实验。

 

(6)2013 年,中国科学院联合相关部门启动了上千公里的光纤量子通信骨干网工程“京沪干线”项目。这一项目于 2017 年 9 月 29 日正式开通。

 

(7)2016 年,中国酒泉卫星发射中心发射了全球首颗量子通信实验卫星,目标是实现北京和乌鲁木齐之间的量子保密通信,并且在德令哈和丽江之间实现了距离 1200km 的大尺度量子非定域性检验,还在卫星和阿里之间实现了星地量子隐形传态。该卫星质量约 640kg,运行在高度为 500km 的轨道上。卫星上有 4 个载荷:量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源、量子试验与控制处理机,可与地面上相距千公里量级的两处光学站同时建立量子光路链接。

 

五、量子通讯发展方向

量子通信技术发展成熟后,将广泛地应用于军事保密通信及政府机关、军工企业、金融、科研院所和其他需要高保密通信的场合。量子通信未来有以下几个发展方向:

 

(1)采用量子中继技术,扩大通信距离。由于单光子在传输过程中损耗很大,对于远距离传输,必须采用中继技术。然而量子态的非克隆原理给量子中继出了很大难题,因为量子态不可复制,所以量子中继不能像普通的信号中继一样,把弱信号接收放大后再转发出去。量子中继只能是在光子到达最远传输距离之前接收其信号,先存储起来,再读出这个信号,最后以单光子形式发送出去。量子中继有很多方案,包括光量子方案、固态原子方案等。

 

(2)采用星地通信方式,实现远程传输。采用卫星通信后,两地之间的量子通信更加方便快捷。在真空环境中,光子基本无损耗,损耗主要发生在距地面较低的大气中。

 

(3)建立量子通信网络,实现多地相互通信。量子通信要想实用化,必须覆盖多地形成网络。国内外都建成了多个实用的量子通信网络,下一步的发展是扩大节点数,扩展通信距离,形成大覆盖面积的广域网。

 

有关量子通信、量子加密等和量子相关的信息,大家已经听说过很多了,虽然科研人员还在探索的道理上加速前进,但是对于大众来说,量子还是和人们的距离有点远:生活中既见不到,工作上也用不着。其实大家也不必着急,量子通信是真的越来越近了,而且这次是可以拿在手中的“量子通话手机”,更为可喜的是,这次是我们自己的专利,所以说,“量子”是真的,既要好好发展,也要好好支持,加油,我们的科技人员。