雷濟宇 重慶市育才中學校

1 量子通信原理

量子通信是量子信息學的一個重要分支，是量子信息中研究較早的領(lǐng)域。量子通信是以量子態(tài)作為信息單元來實現(xiàn)信息的有效傳送的。在量子通信中，除了需要傳統(tǒng)的經(jīng)典信道外，更為主要的還需建立通信各方之間的量子信道。所謂量子信道實際上就是通信各方之間的量子糾纏。量子糾纏是量子力學不同于經(jīng)典物理的存在于多子系量子系統(tǒng)中的一種最奇妙、最不可思議的現(xiàn)象，即對一個子系統(tǒng)的測量結(jié)果無法獨立于其他子系的測量參數(shù)。

首先，由于量子是最小的能量單位，竊聽者無法將量子切割成兩部分，讓其中一部分繼續(xù)傳送，而對另一部分進行狀態(tài)測量獲取密鑰信息；第二是通信絕對保密，由于任何試圖竊聽、觀察都會引起光子量子態(tài)坍塌，因此不可能被竊聽，任何的竊聽、復(fù)制、測量行為，都會改變量子狀態(tài)，竊聽者也不能截取量子之后，去測量它的狀態(tài)，因為這樣竊聽行為會暴露；第三，就是量子物理學中的“不確定性原理”，不可能同時知道一個粒子的位置和它的速度，因此，未知的量子態(tài)無法被精確復(fù)制用來竊聽。由于量子具有“不可分割”“不確定性”“不可克隆”等特性。目前來看，量子保密通信，從原理上確保身份認證、傳輸加密以及數(shù)字簽名等的無條件安全，是最有保障的通信方式。量子通信仍是目前為止唯一被嚴格證明可提供無條件安全的保密通信手段。

2 量子通信的意義

量子通信最大的優(yōu)勢就是保密，并且超光速通信。這種通信方式確立之后，在軍事上的用途非常廣泛，例如以光纖為基礎(chǔ)的國家聯(lián)合作戰(zhàn)通信基礎(chǔ)網(wǎng)一旦被竊聽或者木馬入侵，即可造成嚴重的失泄密、破壞性后果，甚至造成整個作戰(zhàn)體系癱瘓。而一旦量子通信得到運用，在沒有正確身份權(quán)限的情況下，即使美國人（或者外星人）也不可能入侵得了中國的軍事網(wǎng)絡(luò)。

3 量子通信的發(fā)展

3.1 量子通信的發(fā)展歷程

1984年美國IBM公司科學家提出了首個量子密鑰分發(fā)協(xié)議——BB84協(xié)議，使量子通信的研究從理論走向了現(xiàn)實。2005年美國學者提出了多強度誘騙態(tài)調(diào)制方案，解決了量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的弱相干光源多光子的安全漏洞，為量子通信的實用化打開大門。

隨著量子密鑰分發(fā)技術(shù)的發(fā)展和逐步成熟，世界各國試點應(yīng)用呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢。2003年哈佛大學建立了世界首個量子密鑰分發(fā)保密通信網(wǎng)絡(luò)。此后，歐、美、日等多個地區(qū)和國家相繼建成了多個量子通信實驗網(wǎng)絡(luò)。國內(nèi)量子通信的試點應(yīng)用起步稍晚但發(fā)展迅速。2007年中國科學技術(shù)大學在北京實現(xiàn)了國內(nèi)首個光纖量子電話。2014年，量子通信“京滬干線”項目通過評審并開始建設(shè)。中國科學院牽頭的戰(zhàn)略先導(dǎo)專項“量子科學實驗衛(wèi)星”計劃，由中國科學技術(shù)大學、中國科學院研究所和中國航天科技集團第八研究院合作，發(fā)射了全球首顆量子通信衛(wèi)星。2017年，世界首條量子保密通信干線——“京滬干線”正式開通。

3.2 量子通信的產(chǎn)業(yè)化推廣

量子通信的戰(zhàn)略意義吸引了各國科研機構(gòu)的關(guān)注，國外成立了多個專門從事量子通信技術(shù)成果轉(zhuǎn)化和商業(yè)推廣的實體公司。國家也對量子通信領(lǐng)域持續(xù)的專項投入和政策扶持為其發(fā)展提供了強勁動力。2015年，中國科學院、中國科學技術(shù)大學和科大國盾量子等機構(gòu)在北京共同發(fā)起組建了“中國量子通信產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”。

業(yè)內(nèi)人士介紹，量子保密通信技術(shù)的實際應(yīng)用分三步走，一是通過光纖實現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò);二是通過量子中繼器實現(xiàn)城際量子通信網(wǎng)絡(luò);三是通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實現(xiàn)可覆蓋全球的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

2017年3 月，阿里云宣布網(wǎng)商銀行一組信貸數(shù)據(jù)采用量子技術(shù)在專有云上完成了量子加密通訊試點，這是業(yè)界第一個云上量子加密通訊案例。未來阿里云計劃逐步將政務(wù)、金融、電子商務(wù)等各種類型的云態(tài)遷移到量子安全域。

雖然基于量子密鑰分發(fā)的量子通信產(chǎn)業(yè)化目前已經(jīng)取得了一定進展，但是大規(guī)模的應(yīng)用推廣仍然面臨一系列的困難和挑戰(zhàn)，主要包括：初期市場規(guī)模和用戶群體有限；產(chǎn)業(yè)化供應(yīng)鏈的建立尚需時日；技術(shù)驗證與標準規(guī)范研發(fā)滯后；系統(tǒng)應(yīng)用需要基礎(chǔ)設(shè)施資源的支持。

4 結(jié)論

量子通信作為未來信息通信行業(yè)的一個新興戰(zhàn)略性制高點，已經(jīng)成為國家科技實力競爭的主戰(zhàn)場之一，同時也是我國在高新技術(shù)研究與應(yīng)用領(lǐng)域為數(shù)不多的與國際發(fā)展保持同步并且有望實現(xiàn)跨越引領(lǐng)的突破口。但仍需清醒地認識到，量子通信的應(yīng)用發(fā)展仍然面臨從技術(shù)產(chǎn)業(yè)到測評標準等多方面的瓶頸和局限。今后，在技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和標準等方面取得進展和突破的前提下，量子通信在國家信息安全領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)中將發(fā)揮重要作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]蘇曉琴，郭光燦.量子通信與量子計算[J].量子電子學報，2004，(06):706-718.