量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用

蔣佳玲 朱長(zhǎng)明 （中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心）

信息的安全傳遞是人類千百年來(lái)的夢(mèng)想之一，但計(jì)算能力的迅猛提升已經(jīng)讓傳統(tǒng)加密技術(shù)變得越來(lái)越脆弱。特別是20世紀(jì)70年代以來(lái)，量子計(jì)算概念的提出及其初步演示驗(yàn)證，更如同在傳統(tǒng)密碼安全性上方高懸的“達(dá)摩克利斯之劍”，隨時(shí)威脅著傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的安全。量子通信的問(wèn)世，重新點(diǎn)燃了建造“絕對(duì)安全”通信系統(tǒng)的希望。以美國(guó)為代表的世界主要軍事強(qiáng)國(guó)把量子科技列為國(guó)家戰(zhàn)略性發(fā)展領(lǐng)域，視其為繼微電子信息之后，極有可能引發(fā)軍事、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)領(lǐng)域又一次重大革命的關(guān)鍵技術(shù)。

1 概念及原理

量子通信是近30年發(fā)展起來(lái)的新興交叉學(xué)科，是量子力學(xué)、通信理論以及計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。

量子通信的基本思想主要由美國(guó)科學(xué)家Bennett等于20世紀(jì)80年代起提出，主要包括量子密鑰分發(fā)（QKD）和量子態(tài)隱形傳輸。

量子密鑰分發(fā)可以建立安全的通信密碼，通過(guò)“一次一密”的加密方式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的安全通信。這里的安全性在數(shù)學(xué)上已經(jīng)獲得嚴(yán)格證明，是傳統(tǒng)通信迄今為止做不到的?，F(xiàn)有的量子密鑰分發(fā)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)百千米量級(jí)的量子密鑰分發(fā)。

量子態(tài)隱形傳輸是基于量子糾纏態(tài)的分發(fā)與量子聯(lián)合測(cè)量，實(shí)現(xiàn)量子態(tài)（量子信息）的空間轉(zhuǎn)移而又不移動(dòng)量子態(tài)的物理載體，這如同將密封信件內(nèi)容從一個(gè)信封內(nèi)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)信封內(nèi)而又不移動(dòng)任何信息載體自身，顛覆了傳統(tǒng)通信的傳輸模式。而量子糾纏是指有共同來(lái)源的兩個(gè)微觀粒子之間，無(wú)論相距多遠(yuǎn)都能“感應(yīng)”對(duì)方的狀態(tài)，當(dāng)你對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量時(shí)，也會(huì)影響到另一個(gè)粒子的狀態(tài)，盡管兩者之間沒(méi)有任何方法可以相互溝通，但它就好比雙胞胎之間的心靈感應(yīng)。這一現(xiàn)象被愛(ài)因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”。

量子態(tài)具有不可分割、不可測(cè)量、不可克隆的特性，與以往的通信技術(shù)相比，量子通信技術(shù)具有以下主要特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。

量子態(tài)隱形傳輸示意圖

1）絕對(duì)安全。量子通信最大的顛覆性就是其無(wú)條件安全，信息傳遞過(guò)程中采用“一次一密”的加密方式，任何截獲或測(cè)量量子密鑰的操作，都會(huì)改變量子狀態(tài)，從而確保了兩地之間通信的絕對(duì)可靠。

2）超大信道容量。量子通信的信息傳輸載體為光量子態(tài)，根據(jù)量子信息論原理，1個(gè)光量子在常溫下可攜帶幾十比特信息，而現(xiàn)行的傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)，折合1個(gè)光量子在常溫下僅能攜帶幾十分之一比特信息。這使得量子通信容量比傳統(tǒng)光通信提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

3）超高通信速率。量子信息的傳遞速度取決于量子態(tài)的塌縮速度，而塌縮速度大大超過(guò)光速。因而，理論上量子信息的傳遞速度是超光速的。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外研發(fā)動(dòng)態(tài)

美國(guó)對(duì)量子通信的理論和實(shí)驗(yàn)研究開(kāi)始較早，是最先將量子技術(shù)列入國(guó)家戰(zhàn)略、國(guó)防和安全研發(fā)計(jì)劃的國(guó)家。20世紀(jì)末，美國(guó)政府便將量子信息列為“保持國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力”計(jì)劃的重點(diǎn)支持課題。2006年，美國(guó)洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步完善了誘騙態(tài)方案，并實(shí)現(xiàn)了超過(guò)100km的量子保密通信實(shí)驗(yàn)。2007年，美國(guó)科學(xué)家讓兩個(gè)獨(dú)立原子實(shí)現(xiàn)了量子糾纏和遠(yuǎn)距離量子通信。2009年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）和洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室分別建成了兩個(gè)多節(jié)點(diǎn)量子通信互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并與空軍合作進(jìn)行了基于飛機(jī)平臺(tái)的自由空間量子通信研究，建成城域量子通信驗(yàn)證網(wǎng)。同年，美國(guó)麻省理工學(xué)院科學(xué)家繼續(xù)在冷原子中量子存儲(chǔ)和波動(dòng)研究領(lǐng)域有了新的突破，該方面技術(shù)是設(shè)計(jì)量子信息網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。近期，美國(guó)航空航天局（NASA）計(jì)劃在其總部與噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）之間建立一個(gè)直線距離600km、光纖皮長(zhǎng)1000km左右的包含10個(gè)骨干節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離光纖量子通信干線，并計(jì)劃拓展到星-地量子通信。

歐盟推出了用于發(fā)展量子信息技術(shù)的“歐洲量子科學(xué)技術(shù)”計(jì)劃以及“歐洲量子信息處理與通信”計(jì)劃，這是繼歐洲核子中心和航天技術(shù)采取國(guó)際合作之后，又一針對(duì)重大科技問(wèn)題的大規(guī)模國(guó)際合作。2006年，歐洲慕尼黑大學(xué)與維也納大學(xué)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了誘騙態(tài)方案，并實(shí)現(xiàn)了超過(guò)100km的量子保密通信實(shí)驗(yàn)。2007年，由奧地利、英國(guó)、德國(guó)等多國(guó)科學(xué)家合作，在量子通信中圓滿實(shí)現(xiàn)了通信距離達(dá)144km的最遠(yuǎn)紀(jì)錄。2008年，意大利和奧地利科學(xué)家研究團(tuán)隊(duì)首次識(shí)別出從地球上空1500km處的人造衛(wèi)星上反彈回地球的單批光子，實(shí)現(xiàn)了太空絕密傳輸量子信息的重大突破，為將量子通信用于全球通信做好了準(zhǔn)備。

日本政府提出了以新一代量子通信技術(shù)為對(duì)象的長(zhǎng)期研究戰(zhàn)略，并計(jì)劃在2020－2030年間建成絕對(duì)安全保密的高速量子通信網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)通信技術(shù)應(yīng)用上質(zhì)的飛躍。日本國(guó)家信息通信技術(shù)研究所（NICT）計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)量子中繼，到2040年建成極限容量、無(wú)條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網(wǎng)絡(luò)。

我國(guó)量子通信技術(shù)領(lǐng)先研究團(tuán)隊(duì)及其成果

國(guó)內(nèi)研發(fā)動(dòng)態(tài)

我國(guó)涉足量子通信研究的時(shí)間與西方國(guó)家相當(dāng)。目前，我國(guó)在量子密鑰分發(fā)的實(shí)用化方面已躋身世界前列。最近幾年，伴隨誘騙態(tài)方案的提出，新技術(shù)突破不斷涌現(xiàn)，自主研發(fā)的量子路由器、量子程控交換機(jī)及終端設(shè)備已能滿足實(shí)用化要求。2014年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)將遠(yuǎn)程量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的安全距離擴(kuò)展至200km，并將成碼率提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)，創(chuàng)下新的世界記錄。目前，國(guó)內(nèi)已有多家致力于量子通信技術(shù)研發(fā)的公司相繼成立，如山東量子科學(xué)技術(shù)研究院有限公司、安徽問(wèn)天量子科技股份有限公司、安徽量子通信技術(shù)有限公司等。

相比于量子密鑰分發(fā)，量子隱形傳態(tài)的實(shí)用化進(jìn)程還有較長(zhǎng)的路要走。2011年，中國(guó)科學(xué)院聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在青海湖首次成功實(shí)現(xiàn)了百千米量級(jí)的自由空間量子隱形傳態(tài)和雙向糾纏分發(fā)，為基于衛(wèi)星的廣域量子通信奠定了基礎(chǔ)。2015年2月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研人員在量子領(lǐng)域獲得重要研究進(jìn)展，在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)多自由度量子體系的隱形傳輸。這是自1997年國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)單一自由度量子隱形傳態(tài)以來(lái)，科學(xué)家們?cè)诹孔有畔?shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域取得的又一重大突破，為發(fā)展可擴(kuò)展的量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

另外，2014年12月，世界首顆“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”完成了關(guān)鍵部件的研制與交付，中國(guó)有望在2016年前后發(fā)射，衛(wèi)星在軌設(shè)計(jì)壽命為2年。“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”是中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，啟動(dòng)于2011年，主要目的是開(kāi)展衛(wèi)星與地面間絕對(duì)安全的高速量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)高精度的捕獲和跟瞄系統(tǒng)，建立超遠(yuǎn)距離的量子信道，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的演示，這將是國(guó)際上首次星-地間量子通信實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，該工程還將建設(shè)4個(gè)量子通信地面站和1個(gè)空間量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)站，以此形成天地一體化的量子通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，這將為確保我國(guó)網(wǎng)絡(luò)通信安全、國(guó)家安全做出重大現(xiàn)實(shí)貢獻(xiàn)。

總體來(lái)說(shuō)，世界主要國(guó)家在量子通信領(lǐng)域的研究已進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用前夕，并加快朝著實(shí)用化前景發(fā)展。世界各國(guó)政府、國(guó)防部門、科技界和信息產(chǎn)業(yè)界對(duì)此均給予高度重視，圍繞量子通信技術(shù)的國(guó)家能力競(jìng)爭(zhēng)也就顯得日趨激烈。全球信息產(chǎn)業(yè)界的國(guó)際巨頭們，如國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司（IBM）、飛利浦公司（Philips）、美國(guó)電報(bào)電話公司（AT&T）、貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell）、惠普公司（HP）、西門子公司（SIEMENS）、日本電氣股份有限公司（NEC）、日立公司（HITACHI）、三菱公司（MITSUBISHI）、日本電信電話株式會(huì)社（NTT）等也對(duì)量子通信技術(shù)投放了高額研發(fā)資本，抓緊開(kāi)展量子通信技術(shù)的研發(fā)，并奮力推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。

3 軍事應(yīng)用前景

在作戰(zhàn)指控系統(tǒng)中的應(yīng)用

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)正向無(wú)人、無(wú)聲、無(wú)形的“三無(wú)戰(zhàn)爭(zhēng)”演變，而無(wú)人系統(tǒng)的運(yùn)用離不開(kāi)精準(zhǔn)、精密、安全的指控系統(tǒng)。量子安全直接通信方式幾乎可以不用借助傳統(tǒng)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以達(dá)到很高的安全性。但由于其目前傳輸速率有限，更適合應(yīng)用于傳輸信息量小、對(duì)保密性要求高的應(yīng)用場(chǎng)合。在電子化指揮控制系統(tǒng)中，由于諸元及核安控信息、作戰(zhàn)指揮信息等要求絕對(duì)保密，而且信息量較少，對(duì)通信速率要求不高，更適合于采用量子安全直接通信方式進(jìn)行通信。

在深海作戰(zhàn)中的應(yīng)用

岸基與深海之間的通信一直是世界性難題。當(dāng)今，深海軍事通信用的是無(wú)線電長(zhǎng)波，不僅系統(tǒng)龐大、造價(jià)高、抗毀性差，還僅能實(shí)現(xiàn)海水下百米左右的很短距離通信。而量子波束，由于其隱形態(tài)傳輸與傳播媒質(zhì)無(wú)關(guān)，可以在深海下自由通信，這就為遠(yuǎn)洋深海軍事安全通信開(kāi)辟了一條嶄新的途徑。水下潛艇再也不需要浮出水面來(lái)通信，也避免了因發(fā)射無(wú)線電而暴露自身位置。

在核戰(zhàn)爭(zhēng)中的應(yīng)用

由于量子束的糾纏特性極強(qiáng)，并且不會(huì)受到核輻射的影響，因此適合于核戰(zhàn)爭(zhēng)的環(huán)境。例如，當(dāng)發(fā)生核戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)，被安置在巖石深處的指揮部若使用量子通信系統(tǒng)，其量子束發(fā)射機(jī)不會(huì)受到原子彈的破壞，其量子束接收機(jī)還能正常接收通信信息。這是由于量子通信信息的“傳輸”不是采用通常的通信方式，而是采用量子糾纏態(tài)的“感知”優(yōu)越性能。

在精確導(dǎo)航中的應(yīng)用

國(guó)外物理學(xué)家們正設(shè)想利用“量子糾纏”技術(shù)，建立一個(gè)原子鐘全球網(wǎng)絡(luò)，這將提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能，檢測(cè)出時(shí)間和空間上的微小變化，獲取更精確的地面位置信息以及時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。連接在網(wǎng)絡(luò)中的每臺(tái)時(shí)鐘都可以向中心衛(wèi)星發(fā)送臨時(shí)更新信息，報(bào)告它們的信息狀態(tài)，隨后網(wǎng)絡(luò)將對(duì)其整體性能進(jìn)行微調(diào)。

4 應(yīng)用于導(dǎo)彈武器通信系統(tǒng)需要解決的若干問(wèn)題

將先進(jìn)的光子量子通信技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)彈武器或飛行器上需要解決如下幾個(gè)瓶頸問(wèn)題。

環(huán)境適應(yīng)性不強(qiáng)

單光子探測(cè)器主要基于半導(dǎo)體的雪崩效應(yīng)，往往會(huì)由于環(huán)境的微小擾動(dòng)發(fā)生雪崩而給出一個(gè)信號(hào)，造成暗計(jì)數(shù)偏多的現(xiàn)象，導(dǎo)致誤碼。導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的工作環(huán)境往往復(fù)雜惡劣，存在較大的干擾，工程應(yīng)用中密鑰的傳輸效率會(huì)受到顯著影響。

高動(dòng)態(tài)條件快速跟瞄較難

由于低軌衛(wèi)星與地面相距遙遠(yuǎn)且與地面不是相對(duì)靜止，要實(shí)現(xiàn)信號(hào)精確的同步、跟瞄較難。另外，由于導(dǎo)彈武器的高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)屬性及飛行環(huán)境的復(fù)雜性，因而無(wú)法精確預(yù)測(cè)其彈道，這更增加了快速精確跟瞄的難度。

體積、質(zhì)量較大

現(xiàn)有的光學(xué)量子設(shè)備體積和質(zhì)量較大，但是導(dǎo)彈武器和作戰(zhàn)車輛內(nèi)部空間狹小，且導(dǎo)彈對(duì)載荷質(zhì)量較為敏感。因此，小型化、輕量化是將量子通信技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的關(guān)鍵工程問(wèn)題。

在這幾個(gè)瓶頸問(wèn)題解決之前，如何利用量子原理實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)條件下的安全無(wú)線通信是國(guó)際研究的熱點(diǎn)。目前，基于無(wú)線信道宏、微觀特征的對(duì)稱密鑰生成與分發(fā)技術(shù)被認(rèn)為是最有前景的保密通信技術(shù)，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局已經(jīng)啟動(dòng)了該項(xiàng)技術(shù)的研究。清華大學(xué)、國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、解放軍信息工程大學(xué)等國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)單位也已經(jīng)開(kāi)展了該方向的部分研究。

5 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)在量子通信的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)上與國(guó)外諸強(qiáng)基本保持同一水平，甚至在某些領(lǐng)域已經(jīng)領(lǐng)先歐美發(fā)達(dá)國(guó)家。民用方面，我國(guó)斥巨資在部分城市建立了量子通信網(wǎng)，并在2015年初實(shí)現(xiàn)了銀行業(yè)電子檔案信息在同城間的加密傳輸；軍用方面，進(jìn)入工程普及還需要3～5年時(shí)間?；仡櫸覈?guó)科研工作者在量子通信領(lǐng)域內(nèi)的多年付出，可以看到中國(guó)正在該領(lǐng)域悄然崛起。面對(duì)即將到來(lái)的顛覆性技術(shù)革命，中國(guó)不能只做一個(gè)“追隨者”，應(yīng)當(dāng)抓住機(jī)遇，搶占先機(jī)，真正實(shí)現(xiàn)跨越式的發(fā)展，做量子科技進(jìn)步的領(lǐng)軍者。