安全高效的量子通信及其發(fā)展

合肥市科技情報研究所 | 古麗萍

量子通信不僅在理論上取得了很大的進步，在技術研究和產品研制方面也獲得了快速的發(fā)展，業(yè)界已研制出較為成熟的單光子探測器、量子密鑰分發(fā)產品、糾纏源、量子隨即數(shù)發(fā)生器、量子數(shù)據加密系統(tǒng)等，量子通信將逐漸步入實用化階段。

量子通信是利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型通信方式。從物理學的角度，量子是不可分的最小能量單位。在量子力學中，這種微觀粒子的運動狀態(tài)，稱為量子態(tài)。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系，兩個處于糾纏狀態(tài)的粒子無論相距多遠，都能“感應”對方狀態(tài)。量子通信是在物理極限下，利用量子效應實現(xiàn)的高性能通信方式，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。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。量子通信是經典信息論和量子力學相結合的一門新興交叉學科，按其所傳輸?shù)男畔⑹墙浀溥€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態(tài)和量子糾纏的分發(fā)。

量子通信在通信安全性、計算能力、信息傳輸通道容量、測量精度等方面突破經典技術極限，與目前成熟的傳統(tǒng)通信技術相比，具有絕對安全性、超大信道容量、超高通信速率、遠距離傳輸和信息高效率等特點。量子通信網絡包括傳輸平面、控制平面和管理平面。傳輸平面主要由光傳輸鏈路和量子交換模塊組成，傳輸鏈路包括光釬、分束器、光復用器和解復用器等設備?？刂破矫媸橇孔油ㄐ啪W絡的核心部分，主要功能包括：信令傳輸、呼叫連接控制、鏈路資源管理、路由管理、用戶接口等。管理平面由量子通信網絡各個節(jié)點的管理層組成，實現(xiàn)管理功能分布化。當兩個用戶需要進行通信時，管理平面向控制平面發(fā)送通信請求消息，控制平面根據通信需求和傳輸平面的拓撲信息等尋找路由，并將控制消息傳送給傳輸平面，在通信雙方之間建立端到端的物理連接。在通信安全性方面，量子通信技術的信息安全基于量子密碼學，以量子狀態(tài)作為密鑰突破了傳統(tǒng)加密方法的束縛，具有不可竊聽、不可復制性和理論上的“無條件安全性”。任何截獲或測試量子密鑰的操作，都會改變量子狀態(tài)，量子通信確保兩地之間密匙分配和通信的絕對安全性，是安全保密通信。

量子通信成各國競爭焦點

量子通信在軍事、國防、金融等信息安全領域有著重大的應用價值和前景，不僅可用于軍事、國防等領域的國家級保密通信，還可用于涉及秘密數(shù)據、票據的政府、電信、證券、保險、銀行、工商、地稅、財政等領域和部門。在國防和軍事領域，量子通信能夠應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)域內任意兩個用戶分發(fā)量子密鑰，構成作戰(zhàn)區(qū)域內機動的安全軍事通信網絡；能夠應用于信息對抗，改進軍用光網信息傳輸保密性，提高信息保護和信息對抗能力；能夠應用于深海安全通信，為遠洋深海安全通信開辟了嶄新途徑；利用量子隱形傳態(tài)以及量子通信絕對安全性、超大信道容量、超高通信速率、遠距離傳輸和信息高效率等特點，建立滿足軍事特殊需求的軍事信息網絡，為國防和軍事贏得先機。在國民經濟領域和部門，量子通信可用于金融機構的隱匿通信等工程以及對電網、煤氣管網和自來水管網等重要基礎設施的監(jiān)視和通信保障，促進國民經濟的發(fā)展。

量子通信技術已成為當今世界發(fā)達國家激烈競爭的焦點和熱點，世界各國政府、國防部門、科技界和信息產業(yè)界的高度重視。量子通信與國家安全緊密相連，美國、日本、歐洲等國均投入大量人力物力致力于量子通信的研究，積極推廣應用量子通信技術。量子信息被美國列為《保持國家競爭力》計劃的重點支持課題；美國的量子信息和計算研究所為美國軍隊研究部門所管理，隸屬于美國國防部高級研究計劃司超大規(guī)模計算工程；美國的國家標準和技術研究所（NIST）將量子信息作為三個重點研究方向之一；美國的加州理工大學、麻省理工學院和南加州大學聯(lián)合成立了量子信息和計算研究所；LosAlamos國家實驗室正在研究量子局域網的密碼體系和自由空間量子密碼；美國白宮和五角大樓安裝了量子通信系統(tǒng)，并已投入使用。日本提出以新一代量子信息通信技術為對象的長期研究戰(zhàn)略，計劃在2020年至2030年間，建成絕對安全保密的高速量子信息通信網，以實現(xiàn)通信技術質的飛躍，日本郵政省把量子通信作為21世紀的戰(zhàn)略項目，以十年的中長期目標進行研究。歐盟在其《歐洲研究與發(fā)展框架規(guī)劃》中提出用于發(fā)展量子信息技術的《歐洲量子科學技術》計劃以及《歐洲量子信息處理與通信》計劃，歐洲成立了包括英國、法國、德國、意大利、奧地利和西班牙等國在內的量子信息物理學研究網，這是繼歐洲核子中心和航天技術國際合作之后，又一針對科技重大問題的大規(guī)模國際合作，主要研究量子通信、量子計算和量子信息科學。全球信息產業(yè)界國際巨頭IBM、Philips、at&t、Bell實驗室、HP、西門子NEC、日立、三菱、ntt docomo等對量子通信技術投入大量研發(fā)資本，開展量子通信技術的研發(fā)和產業(yè)化。

量子通信在網絡傳輸安全方面具備絕對安全性。

中國量子通信研發(fā)進展

在中國，科技部、國家自然科學基金委員會、中國科學院等部門高度重視和大力支持量子通信。通過各種重大項目的實施，中國已經在量子信息研究方面做出了一批具有國際水平的成果，相關研究團體已經在國際上享有一定的影響力。近年來，中國科學家一直在刷新量子傳輸?shù)木嚯x紀錄，中國量子通信研究居于世界領先地位，目前已經率先達到應用階段水平。中國科學技術大學、清華大學、中國科學院物理所、半導體所、武漢物理與數(shù)學研究所、北京師范大學、華南師范大學、華東師范大學、山西大學、西安大學、西安電子科技大學、北京郵電大學等單位已經取得了一些重要的研究成果。

1995年，中國科學院物理研究所用量子密碼BB84方案做了演示性實驗，華東師范大學在距離較短的自由空間里用B92方案做了實驗。2000年，中國科學院物理研究所與研究生院合作，在850納米的單模光纖中完成了1.1公里的量子密碼通信演示性實驗。2003年，中國科技大學潘建偉領導的量子物理與量子信息實驗室成功實現(xiàn)了量子糾纏態(tài)的濃縮，并利用這一技術首次實現(xiàn)了四光子糾纏光源的量子中繼器。2004年，中國科技大學郭光燦領導的研究小組在北京與天津之間成功實現(xiàn)了125公里光纖的點對點的量子密鑰分配，驗證了誤碼設計的正確性，解決了量子密碼系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。2005年，中國科大與清華大學聯(lián)合小組在合肥創(chuàng)造了13公里的自由空間雙向量子糾纏分發(fā)世界紀錄，同時驗證了在外層空間與地球之間分發(fā)糾纏光子的可行性。2006年，中國潘建偉小組實現(xiàn)了誘騙態(tài)方案，同時實現(xiàn)了超過100公里的量子保密通信實驗。

2007年，中國科技大學潘建偉研究小組通過實驗成功制備出國際上糾纏光子數(shù)最多的薛定諤貓態(tài)和可以直接用于量子計算的簇態(tài)，實現(xiàn)六光子薛定諤貓態(tài)。2007年3月，中國科技大學郭光燦領導的中科院量子信息重點實驗室，利用自主創(chuàng)新的量子路由器，在北京網通公司商用通信網絡上完成了四用戶量子密碼通信網絡的測試運行，并確保了網絡通信的安全。2007年，中國科大與清華大學聯(lián)合小組在北京八達嶺與河北懷來之間架設長達16公里的自由空間量子信道，并取得了一系列關鍵技術突破。2008年，中國科技大學潘建偉及其同事，利用冷原子量子存儲技術在國際上首次實現(xiàn)了具有存儲和讀出功能的糾纏交換，建立了由300米光纖連接的兩個冷原子系綜之間的量子糾纏。2008年年底，潘建偉團隊在商業(yè)光纖網絡的基礎上，成功研制了基于誘騙態(tài)的光纖量子通信原型系統(tǒng)。

2009年5月，潘建偉團隊在合肥成功組建了世界上首個3節(jié)點鏈狀光量子電話網。2009年5月，中國科學技術大學郭光燦研究團隊建設的“量子政務網”在安徽蕪湖建成，并投入試運行。量子政務網采用中國具有全部知識產權的單向量子保密通信方案和設備，以及量子保密通信網絡核心組網技術，標志著中國量子保密通信技術已經正式步入應用軌道。2009年，中國科大與清華大學聯(lián)合小組成功實現(xiàn)了世界上最遠距離的量子態(tài)隱形傳輸，證實了量子態(tài)隱形傳輸穿越大氣層的可行性，為未來基于衛(wèi)星中繼的全球化量子通信網奠定了可靠基礎。2009年8月，中科大潘建偉科研團隊在合肥成功組建了一個可升級的5節(jié)點星型量子通信網絡，構建了全球首個全通型量子通信網絡，實現(xiàn)了實時語音量子保密通信，將在合肥市及其周邊建設一個40節(jié)點量子通信網絡示范工程。2009年11月，山東省在山東信息通信研究院內組建了山東量子科學技術研究院，力爭通過3~5年的努力，將山東打造為中國乃至世界的量子通信技術產業(yè)基地。2009年11月，中國科技大學牽手安徽省皖能集團和銅陵潤豐集團，合資成立安徽量子通訊技術有限公司。

2010年6月，由中國科學技術大學和清華大學組成的聯(lián)合小組，成功實現(xiàn)了16公里的量子態(tài)隱形傳輸，16公里的傳輸距離比原世界紀錄提高了20多倍。2010年6月，山東省投資5600萬元啟動建設山東量子技術研發(fā)平臺，投資1.22億元建設山東量子通信試驗網工程。山東量子通信試驗網第一期工程為期兩年，將在濟南市搭建40~50個用戶的量子保密通信試驗網，項目第一階段的城域網建設完成后，項目二期工程將展開基于超導技術的量子城際網的建設，進一步將量子通信的應用推向實用化。2010年7月，“合肥城域量子通信試驗示范網”項目開工。2011年5月，中國科學院量子技術與應用研究中心暨濟南量子技術研究院揭牌儀式在濟南舉行。濟南量子通信試驗網建設第一階段（2011~2013年），搭建量子技術研發(fā)新平臺，協(xié)調、推進量子技術研發(fā)與成果轉化。進入第二階段后，將充分利用研發(fā)平臺，匯集中科院內相關研究力量，在量子器件和量子通信工程技術與成果轉化方面形成引領量子技術發(fā)展的研發(fā)能力，在成果轉化的基礎上，進一步開拓量子通信技術的應用范圍。

國內的量子通信研究已經實現(xiàn)落地。

量子通信面臨的問題

量子通信是個極其復雜的技術問題，超長距離的量子通信仍在研究探索中，實用化面臨著很多挑戰(zhàn)；首先，量子信號在商用光纖上傳輸?shù)牟环€(wěn)定性是量子保密通信技術實用化的主要技術障礙，很難讓一對糾纏粒子在長距離通信上保持穩(wěn)定。密碼專家希望能夠發(fā)展出某種形式的量子中繼器，它本質上就是量子計算機的一種基本型式，可以克服距離的限制；其次，量子信號的絕對安全的路由問題則是實現(xiàn)量子通信網絡的主要難題，因此，從根本上解決光纖傳輸?shù)姆€(wěn)定性問題和光纖網絡的量子路由問題一直是國際學術界的兩大研究熱點和難題。

量子密碼是保障未來網絡通信安全的一種重要的技術。雖然現(xiàn)在的量子密碼術離實現(xiàn)廣泛的商業(yè)化應用還有很長的路要走，還有很多問題需要解決，與經典密碼相比很多方面還很不成熟，但隨著對量子密碼體制研究的進一步深入，越來越多的方案被提出來，近年來無論在理論上還是在實驗上都在不斷取得重要突破。量子通信技術是新一代信息安全技術，極大地強化現(xiàn)有的信息安全體系。我國應加快推進量子通信試驗網建設，推動我國量子通信技術的發(fā)展和應用；制定量子通信技術標準，突破實現(xiàn)量子通信網絡大規(guī)模實際應用的關鍵技術，盡快形成具有完全自主知識產權的國際領先的量子通信核心技術；配合我國廣域量子通信的規(guī)劃和布局，構建由我國主導、具有自主知識產權的信息安全堡壘；搶占未來信息技術發(fā)展的制高點，加快推進量子通信產業(yè)化。

量子通信前景廣闊

量子信息和量子通信研究具有廣闊的應用前景，目前，量子通信取得了飛速的發(fā)展，量子通信的理論框架已經基本形成，理論體系日趨完善。量子通信不僅在理論上取得了很大的進步，在技術研究和產品研制方面也獲得了快速的發(fā)展，業(yè)界已研制出較為成熟的單光子探測器、量子密鑰分發(fā)產品、糾纏源、量子隨即數(shù)發(fā)生器、量子數(shù)據加密系統(tǒng)等，量子通信將逐漸步入實用化階段。隨著量子通信理論研究和量子通信實踐應用的不斷突破，量子通信產業(yè)化為期不遠，市場前景不可估量。如今量子通信和量子計算潛在的重要科學價值和應用價值正在引領科學家研發(fā)未來的量子計算機，量子通信已成為21世紀通信與信息領域發(fā)展的方向和主流?？茖W家預計10年內有望實現(xiàn)全球化量子通信，量子通信技術在20~30年后將對人類社會發(fā)展產生難以估量的影響，21世紀信息科學將從“經典”時代跨越到“量子”時代。相信不久的將來量子密碼將會在網絡通信上得到廣泛的應用，我們即將進入到一個量子信息時代。