朱孝开：量子通信——面向未来的通信之路

1月8日，中国科学技术大学潘建伟团队完成的“多光子纠缠及干涉度量”获得2015年度国家自然科学一等奖。经“两会”决议，量子通信与量子计算机被纳入“十三五”规划纲要，成为未来五年我国计划实施的十大重点战略工程及项目之一，量子通信由此成为2016年科技领域最热门的话题之一。那么，量子通信是什么？又如何应用呢？

量子通信的概念与发展历程

1982年，法国物理学家Alain.Aspect和他的小组通过实验证实了微观粒子“量子纠缠”现象确实存在，从而证实了超距作用（爱因斯坦的幽灵）的存在，即任何两种物质之间，不管距离多远，都有可能相互影响，不受四维时空的约束。

1993年，在量子纠缠理论的基础上，美国科学家C.H.Bennett提出了量子通信的概念。量子通信是由量子态携带信息的通信方式，其利用光子等基本粒子的量子纠缠效应实现保密通信过程。随后，一个由6位来自不同国家的科学家组成的物理学国际小组基于量子纠缠理论，提出了利用经典与量子相结合的方式实现量子隐形传输的方案。即将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方，把另一个粒子制备到该量子态上，而原来的粒子仍留在原处，这是量子通信最初的方案。

1997年，在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态”，作为信息载体的光子本身并不被传输。

2008年，一支意大利和奥地利科学家小组宣布，他们首次识别出从地球上空1500公里处的人造卫星上反射回地球的单批光子。2012年，中国科学家潘建伟等人在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，国际权威学术期刊《自然》杂志称这一成果基本上解决了量子通信卫星的远距离信息传输问题，是“远距离量子通信的里程碑”。

我国是世界上量子通信应用最早的国家。2009年5月，中科大在安徽省芜湖市试运行世界上首个量子政务网。2012年3月，合肥城域量子通信试验示范网投入使用，该网覆盖合肥市主城区，通过6个接入交换和集控站，连接40组量子电话用户和16组量子视频用户，用户主要包括政府机关、金融机构、医疗机构、军工企业及科研院所等。2014年，世界第一条量子通信保密干线启动建设，该干线全长2000多千米，连接北京与上海，贯穿山东济南、安徽合肥等地，是千公里级高可信、可扩展的广域光纤量子通信网络，预计2016年下半年建成。

量子通信的研究方向与应用

量子通信技术主要研究量子隐形传态和量子秘钥分发。量子隐形传态利用量子纠缠将量子态传送至任意位置，具有“不可探测、无空间约束”的特点，在原理上绝对安全。但是基于隐形传态的量子通信目前只存在概念中，尚无实际应用的例子。国内权威专业团队也表示，若无革命性的突破，该技术在近几十年内都没有实用化的可能。所以，目前的量子通信通常特指基于量子秘钥分发技术的安全保密通信。其通信过程与经典的加密通信基本相同，都是由信息加密、信息传输、信息解密三个步骤组成，不同之处在于，加解密的过程中将普通密钥换成量子密钥，而信息的传输一般是通过经典方式（如光纤、卫星等）来进行。在目前以及不远的将来，量子通信的应用方式主要有以下三种。

基于量子光纤。现今已建成的光纤量子城域网和正在建设的2000公里“京沪干线”均采用的是该方式。即专门铺设光纤作为量子密钥分发的主要途径。由于光纤传输过程中，光量子的能量有衰减，所以每隔一段距离就需要加入专用中继设备，让光量子能够传输得更远。

基于量子卫星。当需要进行量子密钥分发的距离过大或不具备建设专用光纤线路条件的时候，可以通过专用卫星作为中继进行传输。预计在2016年7月发射的量子卫星就将对该方式进行试验。500公斤重的量子卫星，由量子密钥通信器、量子纠缠发射器、纠缠源、处理单元和激光通信器构成，卫星将在中国和欧洲的两个地面站之间中继传输量子密钥。项目的首席科学家潘建伟院士表示，如果该试验成功，中国将发射多颗卫星，于2020年建成连接亚洲和欧洲的量子密钥分配网络，2030年建成全球化的广域量子通信网络。

基于移动量子存储器。国外研究机构已经研制出手持式量子存储及加解密设备，用来存储制备好的量子密钥。采用这种方式，需要进行保密安全通信的场合，仅需在发送端和接收端配发相互纠缠配对的量子密钥存储设备，接入通信链路，对信息进行加解密处理。加密后的密文可以通过电台、卫星、甚至民用移动通信网络（移动、联通、电信等）进行通信。这种方式对于军队与国防安全领域具有更重要的意义。

对量子通信研究运用的思考

量子保密通信在国外均处于实验室技术研究阶段，包括美国在内，没有进入实际工程应用，这其中的原因值得深思。除中国外，世界上其他研究量子通信的机构和国家都没有进行大规模工程应用，包括美国。在美国，早在2003年，DARPA和NIST（美国国家标准局）制造出世界上第一台QKD（量子密钥分发）实验床，此后，公开的信息中再也没有出现过量子通信方面的进展。这就产生了几种猜测：一是美国政府将量子通信技术的进展作为核心机密，外界无法获得与之有关的任何线索；二是美国政府暂未将量子通信技术作为重点发展对象。关于第一点，我们只能凭借猜测。关于第二点倒是有几个佐证。众所周知，美国如果要发展某项新技术，会在其各类“规划”中有所体现，如大数据技术、激光武器技术等。而且，如果要将某项新技术大规模工程应用，其所做的第一件事情必然是定标准或协议。如当年，DARPA在互联网领域就是通过定下各种互联网通用协议，从而确立了美国在信息领域的霸主地位。时至今日，美国依然没有为量子保密通信定标准的打算，反而投入力量进行后量子加密技术研究。

量子保密通信技术从原理上来说是“绝对安全”的，但是“有人参与的量子通信”却存在各种问题。量子保密通信并非无懈可击，例如通信链路上的身份认证问题。目前我国应用的量子通信主要依靠光纤网络传输密钥，当距离足够远时，需要进行信号中继。澳大利亚一研究团队已经研发出通过信号中继加入自己信息的技术，可以向目标发送任何信息，而由于量子通信过程中没有相应的身份认证过程，目标端无法分辨真伪。随着研究的深入，目前的量子保密通信技术肯定会有更多的问题被发现。

量子保密通信在达到核心理论、核心技术、核心元器件三方面完全自主化之前，投入需谨慎。有专家指出，到目前为止，我国量子通信领域的元器件70%~80%依赖进口，做科学试验没有问题，但这样是无法保证其产业健康发展的，安全性也有问题。

量子保密通信技术只是实现安全通信的一种手段，并非不可替代。现有的量子通信严格意义上只是一种密钥分发技术，就整个通信系统来说，其架构还是经典的，并非无懈可击。量子通信技术只能对整个通信系统中的部分环节起作用，要实现安全通信，完全可以从其他环节入手，或直接在整体架构上进行革新。例如，美国没有大力发展量子通信，可能就是认为经典密码体系现阶段足以满足其通信安全的需求。