量子信息科學(xué)拓寬和深化了量子理論在改變?nèi)祟惿詈蜕鐣婷卜矫娴膽?yīng)用，成為未來信息技術(shù)的戰(zhàn)略性發(fā)展方向

量子信息，已然成為了當(dāng)下人們關(guān)注的焦點。伴隨著量子信息技術(shù)逐漸走向?qū)嵱没?，其衍生出的量子通信技術(shù)，更被譽為是繼微電子信息之后，最有可能引發(fā)軍事、經(jīng)濟(jì)、社會領(lǐng)域又一次重大革命的關(guān)鍵技術(shù)。

量子信息科學(xué)的誕生

自上世紀(jì)80年代開始，人們發(fā)現(xiàn)，量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合，可以開拓與經(jīng)典方式具有本質(zhì)區(qū)別的全新的信息處理和通信方式。于是，一門新興的學(xué)科——量子信息科學(xué)就此誕生。

在量子力學(xué)中，量子信息是關(guān)于量子系統(tǒng)“狀態(tài)”所帶有的物理信息。它是通過量子系統(tǒng)的各種相干特性（如量子并行、量子糾纏和量子不可克隆等），進(jìn)行計算、編碼和信息傳輸?shù)娜滦畔⒎绞健?/p>

至此，量子信息科學(xué)就迅速成為近年來物理學(xué)和信息科學(xué)領(lǐng)域最活躍的研究前沿之一。利用量子調(diào)控技術(shù)，能夠用一種革命性的方式對信息進(jìn)行編碼、存儲、傳輸和操縱，在增大信息傳輸容量、提高運算速度、確保信息安全等方面突破了經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸。

量子信息科學(xué)拓寬和深化了量子理論在改變?nèi)祟惿詈蜕鐣婷卜矫娴膽?yīng)用，成為未來信息技術(shù)的戰(zhàn)略性發(fā)展方向，很有可能會推動整個信息產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革命。量子信息主要包括量子通信和量子計算兩個領(lǐng)域。量子通信主要研究量子密碼、量子隱形傳態(tài)、遠(yuǎn)距離量子通信的技術(shù)等等；量子計算主要研究量子計算機(jī)和適合于量子計算機(jī)的量子算法。

而要說到最先走向?qū)嵱没牧孔有畔⒓夹g(shù)，非量子通信莫屬。

量子通信絕對安全

安全地進(jìn)行信息傳遞是人類千百年來的夢想之一。但在今日這個信息技術(shù)飛速進(jìn)步的時代，安全通信卻幾乎成為海市蜃樓。由于經(jīng)典信息容易被復(fù)制，因此保障通信安全的主要方法就是加密信息，使竊取者即使復(fù)制了加密后的密文也無法讀取原文。

但是這種方法的安全性在理論上缺乏證明——數(shù)學(xué)的不斷進(jìn)步可能使得一些現(xiàn)在看起來無法利用數(shù)學(xué)方法破解的加密解密算法在未來得以破解，因此這種方法遠(yuǎn)不能保證建造“絕對安全”的通信系統(tǒng)，而且在實際應(yīng)用中也存在著加密和解密效率低下等諸多問題。

更為嚴(yán)峻的是，隨著計算科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，人類所擁有的計算能力的提升速度和潛力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人們最初的想象，經(jīng)典密碼加密技術(shù)對于通信安全的保障能力也顯得遠(yuǎn)非人們預(yù)先估計的那么可靠了。尤其是上世紀(jì)70年代以來，量子計算概念的提出和它的初步實驗演示，更如同在經(jīng)典密碼安全性上方高懸的“達(dá)摩克利斯之劍”，隨時威脅著經(jīng)典通信系統(tǒng)的安全。

但如今，人們的這些顧慮可能會伴隨著量子通信技術(shù)的應(yīng)用和普及而被永遠(yuǎn)“埋葬”。廣義地說，量子通信是指利用量子比特作為信息載體來傳輸信息的通信技術(shù)。量子通信內(nèi)涵很廣泛，量子隱形傳態(tài)、量子保密通信、量子密集編碼等都屬于量子通信領(lǐng)域。但由于量子保密通信是目前最接近實用化的量子信息技術(shù)，也是人類目前掌握的唯一的無條件安全密碼技術(shù)，因此，我們?nèi)粘Ｌ岬搅孔油ㄐ艜r常常特指量子保密通信。

在量子通信過程中，發(fā)送方和接收方采用單光子的狀態(tài)作為信息載體來建立密鑰。通常來說，竊聽者可能用三種方法進(jìn)行竊聽：

第一種方法是將單光子分割成兩部分，讓其中一部分繼續(xù)傳送，而對另一部分進(jìn)行狀態(tài)測量獲取密鑰信息。但由于單光子不可分割，因此這種辦法無法做到。

第二種可能的方法是竊聽者希望截取單光子后，測量其狀態(tài)，然后根據(jù)測量結(jié)果發(fā)送一個新光子給接收方。但由于竊聽者不能精確地對光子的狀態(tài)進(jìn)行測量，所以發(fā)送給接收方的光子的狀態(tài)與其原始狀態(tài)會存在偏差。這樣，發(fā)送方和接收方可以利用這個偏差來探測到竊聽者對光子的測量擾動，從而檢驗他們之間所建立的密鑰的安全性。

第三種可能的方法是竊聽者截取單光子后，通過復(fù)制單光子的狀態(tài)來竊取信息。但按照量子不可克隆原理，未知的量子態(tài)不可能被精確復(fù)制。

因此，無論是現(xiàn)在還是將來，無論破譯者掌握了多么先進(jìn)的竊聽技術(shù)、多強(qiáng)大的破譯能力，只要量子力學(xué)規(guī)律成立，由量子通信建立起的秘密就無法被破解。

可以說，量子通信系統(tǒng)的問世，重新點燃了建造“絕對安全”通信系統(tǒng)的希望。通向“絕對安全通信”這個千百年來人類夢想大道的入口，在量子物理的指引下，又重新顯露在人們視野之中。

得益于這種“絕對安全”，通過量子通信，人們可以從根本上解決國防、金融、政務(wù)、商業(yè)等領(lǐng)域的信息安全問題。因此，量子通信被視為是保障未來信息社會通信安全的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

更進(jìn)一步來講，量子通信還能實質(zhì)性地提升國家的信息技術(shù)水平和信息產(chǎn)業(yè)的核心競爭力，實現(xiàn)國家信息系統(tǒng)建設(shè)的跨越式發(fā)展，對國家綜合國力的提升、經(jīng)濟(jì)和社會的進(jìn)步產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。正因于此，其也成為世界主要發(fā)達(dá)國家優(yōu)先發(fā)展的科技和產(chǎn)業(yè)高地。

量子通信就在我們身邊

早在三年前，“墨子號”研發(fā)參與者之一、濟(jì)南量子技術(shù)研究院院長助理周飛博士所在的濟(jì)南量子技術(shù)研究院，在國內(nèi)最早“嘗鮮”量子技術(shù)成果，投資1.2億元建成了世界規(guī)模最大、功能最全的量子通信試驗網(wǎng)——濟(jì)南量子通信試驗網(wǎng)（下稱“濟(jì)南網(wǎng)”），運用一系列核心技術(shù)為山東政務(wù)、金融、政法、科研、教育五大領(lǐng)域28家單位的100多個用戶提供保密通信服務(wù)。

一部其貌不揚的黑色電話，出現(xiàn)在濟(jì)南市多個單位的核心業(yè)務(wù)部門。在檢察院系統(tǒng)，對一些貪腐案件調(diào)查進(jìn)行信息溝通時，通過它可以保障信息安全，不存在泄露或竊聽；一些政府部門在政務(wù)信息的溝通中，通過它可以做好機(jī)要信息安全保護(hù)。

“這就是‘量子保密電話’?！敝茱w表示，“使用人在撥打或接聽電話時，通話記錄可以實現(xiàn)絕對保密?！?/p>

“現(xiàn)代密碼學(xué)所采用的加密通常是利用數(shù)學(xué)算法的復(fù)雜度來增加破譯的困難程度。如果破譯者希望得到信息的內(nèi)容，就需要先破譯得到‘鑰匙’。而超級計算機(jī)的出現(xiàn)，再復(fù)雜的‘鑰匙’都有可能最終被破譯。”周飛舉例說，“比如我們平時打電話時，信號經(jīng)過無線網(wǎng)、基站等若干個節(jié)點，任何一點都可能被竊聽。盡管信息也是加密的，但是這些傳統(tǒng)加密辦法較易被破解。而如果用量子技術(shù)加密，理論上不可破解?！?/p>

處于量子態(tài)的粒子具有“自我毀滅”的特性，這讓它適合做“保密工具”。周飛打比方：“古人在信封上用火漆封口，一旦信件被中途拆開，就會留下泄密的痕跡，而量子密鑰會讓‘信件’自毀，并讓使用者知曉?！痹跐?jì)南研發(fā)試驗的這項保密通信技術(shù)，已經(jīng)在黨的十八大會議上成功應(yīng)用，用于會場內(nèi)及周邊的信息保密傳輸，防止會議內(nèi)容遭竊聽。

周飛說，類似量子通訊核心技術(shù)的研發(fā)支撐起“濟(jì)南網(wǎng)”的正常運行。