李夜雨

量子領(lǐng)域的量子計算、量子通信、量子探測等技術(shù)持續(xù)突破，成為各國競逐的前沿領(lǐng)域。特別是作為新一代通信技術(shù)，量子通信基于量子信息傳輸?shù)母咝Ш徒^對安全性，成為近年來國際科研競爭中的焦點領(lǐng)域之一。

一、量子通信：劃時代的嶄新技術(shù)

進入21世紀，隨著世界電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)即將達到物理極限，以量子效應(yīng)為基礎(chǔ)的量子通信將成為引領(lǐng)未來科技發(fā)展的重要領(lǐng)域。

量子通信（Quantum communication）是指利用量子糾纏效應(yīng)進行信息傳遞的一種新型的通訊方式。量子通信是近20年發(fā)展起來的新型交叉學(xué)科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠程傳態(tài)和量子密集編碼等，這門學(xué)科已逐步從理論走向?qū)嶒灒⑾驅(qū)嵱没l(fā)展。高效安全的信息傳輸日益受到人們的關(guān)注?；诹孔恿W(xué)的基本原理，量子通信具有高效率和絕對安全等特點，并因此成為國際上量子物理和信息科學(xué)的研究熱點。量子通信系統(tǒng)的基本部件包括量子態(tài)發(fā)生器、量子通道和量子測量裝置。按其所傳輸?shù)男畔⑹墙?jīng)典還是量子而分為兩類。前者主要用于量子密鑰的傳輸，后者則可用于量子隱形傳送和量子糾纏的分發(fā)。

量子是對原子、電子、光子等不可再分的物質(zhì)基本單元的統(tǒng)稱。在量子世界中存在一種類似“心電感應(yīng)”的現(xiàn)象，即通常所說的“量子糾纏”。所謂量子糾纏，是指微觀世界里有共同來源的兩個微觀粒子之間存在著糾纏關(guān)系，不管它們離多遠，只要一個粒子狀態(tài)發(fā)生變化，就能立即使另一個粒子狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)變化。也就是說兩個處于糾纏狀態(tài)的粒子無論相距多遠，都能“感應(yīng)”對方狀態(tài)。打個比方說，甲乙兩人身處兩地，分別拿一個具有糾纏關(guān)系的光子，甲對這個光子進行某種操作，它會發(fā)生一些變化，這時乙手中的光子也會發(fā)生同樣的變化。量子態(tài)隱形傳輸就是指利用量子糾纏技術(shù)，借助衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)絡(luò)等經(jīng)典信道，傳輸量子態(tài)攜帶的量子信息。量子態(tài)隱形傳輸很像科幻小說中描繪的“超時空穿越”：外星人在一個地方神秘地消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方神秘地瞬間出現(xiàn)。一般意義上講量子通信是利用量子糾纏效應(yīng)進行信息傳遞的一種新型的通信方式。從物理學(xué)上講，量子通信是在物理極限下利用量子效應(yīng)實現(xiàn)的高性能通信方式；從信息學(xué)上理解，量子通信是利用量子力學(xué)的基本原理或者量子態(tài)隱形傳輸?shù)攘孔酉到y(tǒng)特有屬性以及量子測量方法，完成兩地之間的信息傳遞。量子隱形傳輸是利用量子糾纏原理和技術(shù)，借助網(wǎng)絡(luò)等信道，傳輸量子態(tài)攜帶的量子信息。

為了讓量子通信從理論走到現(xiàn)實，從上世紀90年代開始國內(nèi)外科學(xué)家做了大量的研究工作。自1993年美國IBM的研究人員提出量子通信理論以來，美國國家科學(xué)基金會和國防高級研究計劃局都對此項目進行了深入的研究。1993年在美國科學(xué)家貝內(nèi)特提出量子通信概念以后不久，6位來自不同國家的科學(xué)家基于量子糾纏理論提出了利用經(jīng)典與量子相結(jié)合的方法實現(xiàn)量子隱形傳送的方案。量子隱形傳送不僅在物理學(xué)領(lǐng)域?qū)θ藗冋J識與揭示自然界的神秘規(guī)律具有重要意義，而且可以用量子態(tài)作為信息載體，通過量子態(tài)的傳送完成大容量信息的傳輸，實現(xiàn)原則上不可破譯的量子保密通信。1997年在奧地利留學(xué)的中國青年學(xué)者潘建偉與荷蘭學(xué)者波密斯特等人合作，首次實現(xiàn)了未知量子態(tài)的遠程傳輸。這是國際上首次在實驗室成功地將一個量子態(tài)從甲地的光子傳送到乙地的光子上。歐盟在1999年集中國際力量致力于量子通信的研究，研究項目多達12個。日本郵政省把量子通信作為21世紀的戰(zhàn)略項目。

在2014年11月國際量子學(xué)術(shù)大會上，中國科學(xué)家們進一步提出，中國還將開展一系列研究工作的基礎(chǔ)上，到2020年實現(xiàn)亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發(fā)， 屆時聯(lián)接亞洲與歐洲的洲際量子通信網(wǎng)也將建成。到2030年左右將建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

二、量子通信具有傳統(tǒng)通信不可比擬的優(yōu)點

隨著新技術(shù)的突破性進展，近年來量子通信這門學(xué)科已逐步從理論走向?qū)嶒灒⑾驅(qū)嵱没l(fā)展。量子通信是經(jīng)典信息論和量子力學(xué)相結(jié)合的一門新興交叉學(xué)科，與目前成熟的通信技術(shù)相比，量子通信具有巨大的優(yōu)越性，具有保密性強、大容量、遠距離傳輸?shù)忍攸c。

一是量子通信是無懈可擊的安全保密通信?，F(xiàn)代通信技術(shù)在給人們帶來便利的同時，也在不斷制造著安全、隱私等方面的麻煩。與此前所有的通信方式均相比，量子通信屬于隱形傳輸技術(shù)。據(jù)有關(guān)專家介紹，用光量子電話網(wǎng)雖然跟平常打電話一樣，卻不用擔(dān)心被竊聽，相互之間通話絕對安全。這是因為量子通信采用的是“一次一密”的加密方式，兩人通話期間密碼機每分每秒都在產(chǎn)生密碼，牢牢“鎖”住語音信息，一旦通話結(jié)束這串密碼就會立即失效，下一次通話絕對不會重復(fù)使用，而且量子通信所提供的密鑰無法被破解。本質(zhì)上說量子密鑰分配其實依舊依托于光纖通信，而單光子具有不可分割性是量子密碼安全性的物理基礎(chǔ)，因而量子密鑰分配并非顛覆經(jīng)典通信，更像是給經(jīng)典通信增加了一把量子密碼鎖。因此只要在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上安裝一個小裝置，人們的通信安全將變得無懈可擊。就是量子通信技術(shù)的神奇之處。

二是量子通信是超光速通信。研究人員發(fā)現(xiàn)，即使將兩個糾纏態(tài)亞原子粒子分隔宇宙距離，它們之間的通信也幾乎是即刻的（0時間）。根據(jù)量子力學(xué)理論的描述，兩個處于糾纏態(tài)的粒子無論相距多遠，都能“感知”和影響對方的狀態(tài)。研究結(jié)果表明，無論影響光子的什么因素，這種影響都幾乎是同時發(fā)生的。根據(jù)研究人員的計算，這種影響因素起作用的速度必須要比光束快至少1萬倍。可見量子通信速度是超光束通信的。與傳統(tǒng)光速通信相比，量子超光速通信具有許多人們夢寐以求的優(yōu)點：量子超光速通信的線路時延可以為零，從而實現(xiàn)了最快通信；量子信息傳遞的過程不會為任何障礙所阻隔；量子超光速通信完全環(huán)保，不存在任何電磁輻射污染。

三是量子通信是超時空穿越的遠距離通信。量子通信屬于隱形傳輸技術(shù)，它與人類歷史上此前已有的通信技術(shù)存在著本質(zhì)性的差異。有科學(xué)實驗證實，量子隱形傳態(tài)過程中穿越大氣層的可能性，為未來基于衛(wèi)星量子中繼的全球化量子通信網(wǎng)奠定了可靠基礎(chǔ)。量子隱形傳輸如同科幻小說中描繪的超時空穿越。量子在一個地方神秘消失，又在另一個地方瞬間出現(xiàn)。

四是量子通信具有超高信道容量。信道容量是指信道在噪聲環(huán)境下有效傳輸信息的能力，是通訊領(lǐng)域最基本的問題。量子信道不僅可以傳輸經(jīng)典信息，還可以傳輸私密信息和量子信息，每種情況對應(yīng)一個信道容量。與傳統(tǒng)的通信方式相比，量子通信具有超高信道容量的明顯優(yōu)勢。有專家預(yù)測，量子通信技術(shù)可能在20—30年后對人類社會發(fā)展產(chǎn)生難以估量的影響，量子通信理論研究和量子通信實踐應(yīng)用的不斷突破，充分表明量子通信已成為21世紀通信與信息領(lǐng)域發(fā)展的方向和主流?？梢哉f，量子通信將催生量子信息時代的來臨。

三、量子通信的軍事用途廣泛

量子通信在國防和軍事應(yīng)用方面有著無與倫比的廣闊前景，可以利用量子隱形傳輸以及超大信道容量、超高通信速率和信息高效率等特點，建立滿足軍事特殊需求的超光速軍事信息網(wǎng)絡(luò)。1994年開始，美國國防高級研究計劃局致力于用3—5年的時間推進量子通信技術(shù)方面的研究，美軍實施了“以不加外力傳輸?shù)姆绞较驊?zhàn)場和全球傳輸報文能力”的量子通信計劃。

一是能夠應(yīng)用于通信密鑰生成與分發(fā)系統(tǒng)。在國防和軍事領(lǐng)域，量子通信能夠應(yīng)用于通信密鑰生成與分發(fā)系統(tǒng)，向未來戰(zhàn)場覆蓋區(qū)域內(nèi)任意兩個用戶分發(fā)量子密鑰，構(gòu)成作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)機動的安全軍事通信網(wǎng)絡(luò)。量子技術(shù)最大特點是具有完全安全性的特征，是傳統(tǒng)加密通信無法實現(xiàn)的。在現(xiàn)有的軍事通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，可以通過天基平臺部署量子通信密鑰生成與分發(fā)系統(tǒng)，向未來戰(zhàn)場覆蓋區(qū)域內(nèi)任意兩個用戶分發(fā)量子密鑰，從而構(gòu)成作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)機動的安全軍事通信網(wǎng)絡(luò)。

二是能夠應(yīng)用于信息對抗。由于光量子密碼具有“不可破”和“竊聽可知性”，且光量子加密設(shè)備可與現(xiàn)在的光纖通信設(shè)備融合。因此可以用來改進目前軍用光網(wǎng)信息傳輸保密性，從而提高信息保護和信息對抗能力。量子通信能夠應(yīng)用于信息對抗，改進軍用光網(wǎng)信息傳輸保密性，提高信息保護和信息對抗能力。

三是能夠應(yīng)用于深海安全通信。能夠應(yīng)用于深海安全通信，為遠洋深海安全通信開辟嶄新途徑。岸基與深海之間的通信一直是世界性難題。世界各國海軍現(xiàn)有的長波通信系統(tǒng)，不僅系統(tǒng)龐大、造價高、抗毀性差，而且僅能實現(xiàn)海水下百米左右的通信。由于量子通信光量子隱形傳態(tài)與傳播媒質(zhì)無關(guān)，這就為遠洋深海安全通信開辟了一條嶄新的途徑。

四是能夠應(yīng)用于構(gòu)建超光速信息網(wǎng)絡(luò)。軍事信息網(wǎng)絡(luò)需要大容量、高速率傳輸處理及按需共享能力。隨著量子通信技術(shù)的研發(fā)突破和日趨成熟，可以利用量子隱形傳態(tài)以及超大信道容量、超高通信速率和信息高效率等特點，建立滿足軍事特殊需求的超光速軍事信息網(wǎng)絡(luò)。

量子通信不僅可用于國防等領(lǐng)域的國家級保密通信，還可用于涉及秘密數(shù)據(jù)和票據(jù)的電信、證券、保險、銀行、工商、地稅、財政等領(lǐng)域和部門，而技術(shù)又相對成熟，未來市場容量極大。

四、世界各國積極搶占量子通信制高點

量子通信是面向未來的全新通信方式，由于其具有嚴格意義上的傳統(tǒng)通信方式所不具備的絕對信息安全傳輸特性，在國家安全、軍事、金融等信息安全領(lǐng)域有著重大的應(yīng)用價值和前景。因此量子通信的研發(fā)得到各國官方及通信研究領(lǐng)域的高度重視。

發(fā)展量子通信技術(shù)的終極目標是構(gòu)建區(qū)域乃至全球范圍的絕對安全的量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。通過光纖實現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)連接一個中等城市內(nèi)部的通信節(jié)點、通過量子中繼實現(xiàn)鄰近兩個城市之間的連接、通過衛(wèi)星與地面站之間的自由空間光子傳輸和衛(wèi)星平臺的中轉(zhuǎn)實現(xiàn)遙遠兩個區(qū)域之間的連接，是實現(xiàn)全球量子通信最理想的路線圖。在這一路線圖的指引下，歐洲、美國和中國等在過去幾年中均進行了戰(zhàn)略性部署，投入了大量的科研資源和開發(fā)力量，進行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和實用化、工程化探索，力爭在激烈的國際競爭中占據(jù)先機。光纖量子密碼技術(shù)目前正從點對點量子密鑰分發(fā)的初級階段向?qū)崿F(xiàn)多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的量子安全性方向深入發(fā)展階段，全球各地正在加緊進行量子通信系統(tǒng)的實用化和工程化建設(shè)。

量子通信技術(shù)具有極大的軍事應(yīng)用價值。美國國防部已將量子通信推向?qū)嵱没⒈灰暈樽畎踩耐ㄐ欧绞?。由美國國防部高級研究署（DARPA）支持， BBN公司（具有很強的軍方特色）技術(shù)部聯(lián)合波斯頓大學(xué)與哈佛大學(xué)共同開展了量子保密通信與IP 互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的五年試驗計劃。該計劃主要內(nèi)容是以BBN技術(shù)部、波斯頓大學(xué)和哈佛大學(xué)作為三個節(jié)點以構(gòu)建融合現(xiàn)行光纖通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和量子光通信的量子互聯(lián)網(wǎng)，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)保密通信。

在歐盟發(fā)布的《量子信息處理和通信：歐洲研究現(xiàn)狀、愿景與目標戰(zhàn)略報告》中給出了歐洲未來五年和十年量子信息的發(fā)展目標，例如將重點發(fā)展量子中繼和衛(wèi)星量子通信，實現(xiàn)1000公里量級的量子密鑰分配。歐洲空間局計劃到2018年將國際空間站上的量子通信終端與一個或多個地面站之間建立自由空間量子通信鏈路，首次演示絕對安全的空間量子密鑰全球分發(fā)的可行性。歐盟在2008年9月發(fā)布了關(guān)于量子密碼的商業(yè)白皮書，啟動量子通信技術(shù)標準化研究，并聯(lián)合了來自12個歐盟國家的41個伙伴小組成立了SECOQC工程。

日本提出了量子信息技術(shù)長期研究戰(zhàn)略，計劃通過高強度的研發(fā)投入，在5—10年內(nèi)建成全國性的高速量子通信網(wǎng)。日本郵政省將把量子信息確定為21世紀國家的戰(zhàn)略項目，日本的NICT也啟動了一個長期支持計劃。日本國立信息通信研究院計劃在2020年實現(xiàn)量子中繼，到2040年建成極限容量、無條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網(wǎng)絡(luò)。

另外，一些世界著名的公司也對量子信息技術(shù)投入了大量研發(fā)資本，介入了產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，例如：美國電話電報公司（AT&T）、Bell實驗室、IBM、Hewlett-Packard，荷蘭Philips，日本Hitachi、NEC、NTT、Toshiba，英國電話電報公司，德國西門子公司等。2010年10月，日本在東京展示一個由NEC、Toshiba、三菱電子等公司支持建設(shè)的量子通信網(wǎng)絡(luò)。由此可見，大型國際企業(yè)已經(jīng)實際地介入了量子通信技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。

而我國在這方面處于國際領(lǐng)先水平，已經(jīng)實現(xiàn)了超過兩百公里（世界紀錄）的安全信息傳輸，實用化安全傳輸距離已達到幾十公里，量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已發(fā)展成熟。中國的起步不錯，也有很好的學(xué)術(shù)帶頭人，下一步的發(fā)展就是明確定位的問題。一方面是注意與現(xiàn)有通信的融合，要善于借鑒現(xiàn)有的通信技術(shù)；另一方面，安全性是量子通信在實際應(yīng)用中的體現(xiàn)，應(yīng)在未來制定量子通信安全性標準。

量子通信從原理走上小范圍專用問題的實用化，是現(xiàn)在全世界都在努力的方向。如今量子通信技術(shù)的研究已經(jīng)從科研階段進入試點階段，未來隨著量子通信技術(shù)的大力發(fā)展，將向規(guī)模商用階段邁進，量子通信的絕對保密性也決定了其在國防、金融等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。