量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究

胡廣軍 王建

【摘要】 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，量子力學(xué)在二十世紀(jì)引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。進(jìn)入二十一世紀(jì)后，在世界電子信息高速發(fā)展的大環(huán)境下以量子效應(yīng)為基礎(chǔ)的量子通信技術(shù)也隨之進(jìn)一步發(fā)展。本文主要對量子通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢和應(yīng)用進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】 量子通信技術(shù) 發(fā)展現(xiàn)狀 趨勢 研究

近年來量子通信在各類學(xué)術(shù)會(huì)議或期刊中頻頻出現(xiàn)，作為一個(gè)古老而又新鮮的話題，電視等各種媒體中經(jīng)常出現(xiàn)各種關(guān)于量子通信技術(shù)重大突破的報(bào)道。在國家技術(shù)規(guī)劃中，“量子調(diào)控研究”被列為重大基礎(chǔ)科學(xué)研究計(jì)劃之一，在20-30年后預(yù)計(jì)量子技術(shù)將會(huì)給人類社會(huì)帶來巨大影響。量子通信技術(shù)的重要性，要求我們必須予以其關(guān)注。首先，我們應(yīng)該對量子通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀有一定了解。

一、量子通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

在量子通信的概念上，不同的角度對其有不同的表述。總體來說，量子通信是一種新型的通信方式，是量子力學(xué)和通信科學(xué)的綜合產(chǎn)物，它通過對量子糾纏效應(yīng)的利用來傳遞信息。量子通信的基本思想主要包括兩部分，一為量子密鑰分發(fā)，二為量子態(tài)隱形傳輸。通過量子密鑰分發(fā)可以對安全的通信密碼加以建立，在一次一次的加密方式下，點(diǎn)對點(diǎn)方式的安全經(jīng)典通信便得以實(shí)現(xiàn)，且這種安全性已經(jīng)被數(shù)學(xué)嚴(yán)格證明，是迄今為止經(jīng)典通信仍然做不到的。百公里量級的量子密鑰分發(fā)，目前的量子密鑰分發(fā)技術(shù)能夠輕松完成的，在光開關(guān)等技術(shù)輔佐下量子密鑰分發(fā)技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。量子態(tài)隱形傳輸是一種物理載體，能促使量子態(tài)（量子信息） 的空間轉(zhuǎn)移的同時(shí)又不移動(dòng)量子態(tài)的實(shí)現(xiàn)，類似于將從一個(gè)信封內(nèi)將密封信件內(nèi)容轉(zhuǎn)移到另一個(gè)信封內(nèi)且信息載體自身并不會(huì)被移動(dòng)，這種經(jīng)典通信中無法想象的事是基于量子糾纏態(tài)的分發(fā)與量子聯(lián)合測量完成的。量子中繼器這種以量子態(tài)隱形傳輸技術(shù)和量子存儲(chǔ)技術(shù)為基礎(chǔ)的技術(shù)可以促使任意遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)及網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。

量子力學(xué)誕生于1926年，是人類對微觀世界加以認(rèn)識(shí)的理論基礎(chǔ)之一。量子力學(xué)和相對論之間的不相容性在1935年被愛因斯坦、波多爾基斯和羅森論證后，約翰·貝爾于1964年提出貝爾理論，，阿斯派克等人于1982年證明了超光速響應(yīng)的存在。1989年第一次演示成功量子密鑰傳輸，1997年量子態(tài)隱形傳輸?shù)脑硇詫?shí)驗(yàn)驗(yàn)證由奧地利蔡林格小組在室內(nèi)首次完成，2004年，該小組又將量子態(tài)隱形傳輸距離成功提高到600米。2007年開始我國架設(shè)了長達(dá)16 公里的自由空間量子信道，于2009年成功實(shí)現(xiàn)世界上量子隱形傳態(tài)的最遠(yuǎn)距離。

二、量子通信技術(shù)的發(fā)展趨勢

量子通信技術(shù)的研究方向除了包括量子隱形傳態(tài)還包括量子安全直接通信等，突破了現(xiàn)有信息技術(shù)，引起了學(xué)術(shù)界和社會(huì)的高度重視。與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，量子通信除具有超強(qiáng)抗干擾能力外且不需對傳統(tǒng)信道進(jìn)行借助；與此同時(shí)量子通信的密碼被破譯的可能性幾乎沒有，具有較強(qiáng)的保密性；另外，量子通信幾乎不存在線路時(shí)延，傳輸速度很快。量子通信發(fā)展僅僅經(jīng)歷了20年左右，但其發(fā)展卻十分迅猛，目前已經(jīng)被很多國家和軍方給予高度關(guān)注。

量子通信在國防和軍事上具有廣闊的應(yīng)用前景，作為量子技術(shù)的最大特征，量子技術(shù)的安全性是傳統(tǒng)加密通信所無可企及的。量子通信技術(shù)的超強(qiáng)保密性，能夠有效保證己方軍事密件和軍事行動(dòng)不被敵方破譯及偵析，在國防和軍事領(lǐng)域顯示出無與倫比的魅力。另一方面，在破解復(fù)雜的加密算法上，也許現(xiàn)有計(jì)算機(jī)可能需要好幾萬年的時(shí)間，在現(xiàn)實(shí)中是完全無法接受且?guī)缀鯖]有實(shí)用價(jià)值的。但量子計(jì)算機(jī)卻能在幾分鐘內(nèi)將加密算法破解，如果未來這種技術(shù)被投入實(shí)用，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)密碼體制將處于危險(xiǎn)之中，而量子通信技術(shù)則能能夠抵御這種破解和威脅。此外，在民間通信領(lǐng)域量子通信技術(shù)的應(yīng)用前景也同樣廣闊。中國科技大學(xué)在2009年對界上首個(gè)5 節(jié)點(diǎn)的全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組建后，使得實(shí)時(shí)語音量子保密通信被首次實(shí)現(xiàn)，城市范圍的安全量子通信網(wǎng)絡(luò)在這種“城域量子通信網(wǎng)絡(luò)”基礎(chǔ)上成為了現(xiàn)實(shí)。

各國正是瞅準(zhǔn)了量子通信技術(shù)的無限應(yīng)用前景，紛紛加大對量子通信技術(shù)方面的投入力度。在未來的量子通信技術(shù)還應(yīng)注意一些關(guān)鍵性的問題，如單光子源成本的降低、通信傳輸距離的加大以及檢測概率的增強(qiáng)等，都仍需要進(jìn)一步的研究。

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