量子通信現(xiàn)狀與展望

吳華，王向斌，潘建偉

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量子通信現(xiàn)狀與展望

吳華，王向斌，潘建偉

1 引言

“最近的 16公里量子態(tài)隱形傳輸?shù)某晒υ囼?yàn)表明，中國(guó)將有能力建立起衛(wèi)星與地面的安全量子通信網(wǎng)絡(luò)?！薄绹?guó)《時(shí)代周刊》在“爆炸性新聞”欄目中以“中國(guó)量子科學(xué)的飛躍”為題，對(duì)2010年中國(guó)科技大學(xué)與清華大學(xué)合作完成的16公里量子態(tài)隱形傳輸試驗(yàn)進(jìn)行了評(píng)論。相比于經(jīng)典通信，量子通信究竟有哪些優(yōu)勢(shì)，有哪些應(yīng)用，源于何種原理以及方法和技術(shù)手段等，無(wú)疑是大家所關(guān)心的。我們將在此介紹量子通信的基本概念與方法、技術(shù)現(xiàn)狀，以及未來(lái)應(yīng)用前景。

量子通信的基本思想主要由Bennett等于 20世紀(jì)80年代和90年代起相繼提出，主要包括量子密鑰分發(fā)（quantum key distribution，QKD）和量子態(tài)隱形傳輸（quantum teleportation）。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可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式的安全經(jīng)典通信。

這里的安全性是在數(shù)學(xué)上已經(jīng)獲得嚴(yán)格證明的安全性，這是經(jīng)典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)百公里量級(jí)的量子密鑰分發(fā)，輔以光開關(guān)等技術(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。這在經(jīng)典通信中是無(wú)法想象的事。基于量子態(tài)隱形傳輸技術(shù)和量子存儲(chǔ)技術(shù)的量子中繼器可以實(shí)現(xiàn)任意遠(yuǎn)距離的量子密鑰分發(fā)及網(wǎng)絡(luò)。

量子通信的實(shí)現(xiàn)基于量子態(tài)傳輸。為便于傳輸，現(xiàn)有的量子通信實(shí)驗(yàn)一般以光子為量子態(tài)載體，其表現(xiàn)形式即為光子態(tài)傳輸。量子信息的編碼空間以光偏振為主。

如前所述，量子態(tài)隱形傳輸只是在空間轉(zhuǎn)移量子信息（量子態(tài)），但并不轉(zhuǎn)移量子信息的物理載體。若以光子為量子信息載體，量子態(tài)隱形傳輸就是把量子信息從一個(gè)光子上轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)處另外一個(gè)光子上。這樣的量子態(tài)隱形傳輸有一個(gè)明顯的應(yīng)用：在惡劣通道情況下，若直接傳輸光子本身進(jìn)行量子通信，將會(huì)由于誤碼率過(guò)大而無(wú)從實(shí)現(xiàn)通信任務(wù)。而基于量子態(tài)隱形傳輸?shù)牧孔油ㄐ庞捎跓o(wú)需傳輸光子本身，其通信質(zhì)量不受物理通道影響。量子態(tài)隱形傳輸需要通信雙方預(yù)先共享一個(gè)量子糾纏態(tài)（常用的兩光子量子糾纏態(tài)又稱糾纏光子對(duì)，或糾纏對(duì)）。為了預(yù)先共享糾纏對(duì)，需要預(yù)先進(jìn)行糾纏對(duì)分發(fā)。實(shí)際上，糾纏分發(fā)本身也可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)。通信雙方預(yù)先共享的糾纏對(duì)的質(zhì)量取決于糾纏分發(fā)時(shí)的通道狀況。用于各類噪聲的存在，共享糾纏對(duì)一般是不理想的。Bennett等人的理論表明，通過(guò)對(duì)不理想糾纏對(duì)純化可以獲得高質(zhì)量糾纏對(duì)?；诖丝梢詫?shí)現(xiàn)高品質(zhì)的量子態(tài)隱形傳輸。目前，量子態(tài)隱形傳輸、糾纏光子對(duì)分發(fā)，以及糾纏純化都已經(jīng)獲得廣泛實(shí)驗(yàn)研究。

基于 BB84協(xié)議的量子密鑰分發(fā)無(wú)需共享糾纏對(duì)資源，只需要單光子態(tài)傳輸。目前真實(shí)系統(tǒng)沒有理想單光子源，采用的是近似單光子源，即強(qiáng)度為單光子量級(jí)的弱激光源，后簡(jiǎn)稱弱光。由于傳輸損耗，基于弱光傳輸?shù)牧孔用荑€分發(fā)安全距離受到嚴(yán)重限制。另一方面，竊聽者可以冒充通道損耗進(jìn)行光子分?jǐn)?shù)攻擊（photon nu mber splitting attack，PNS at tack）。文獻(xiàn)分析表明，現(xiàn)有技術(shù)的安全距離實(shí)際上不到20 km。一個(gè)行之有效的辦法是采用近年發(fā)展起來(lái)的誘騙態(tài)方法（decoy-state method），它雖然繼續(xù)采用現(xiàn)有光源，但安全性等價(jià)于理想單光子源，距離與理想單光子源距離基本相同。

基于量子力學(xué)原理，單量子態(tài)信號(hào)不能被完全克隆放大，而通道損耗隨距離呈指數(shù)增長(zhǎng)。因此，不論光源與檢測(cè)技術(shù)如何發(fā)展，單量子態(tài)的直接傳輸距離不可能無(wú)限發(fā)展。一般認(rèn)為，其極限距離大概在數(shù)百公里量級(jí)。遠(yuǎn)程量子通信的最終實(shí)現(xiàn)將依賴于量子中繼概念。其基本思想是： 在空間建立許多站點(diǎn)。各相鄰站點(diǎn)間預(yù)先共享并存儲(chǔ)量子糾纏對(duì)。采用量子態(tài)隱形傳輸技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)量子糾纏轉(zhuǎn)換，即增長(zhǎng)量子糾纏對(duì)的空間分隔距離。如果預(yù)先將糾纏對(duì)布置在各相鄰站點(diǎn)，糾纏轉(zhuǎn)換操作后便可實(shí)現(xiàn)次近鄰站點(diǎn)間的共享糾纏。繼續(xù)操作下去，原則上可以實(shí)現(xiàn)在很遠(yuǎn)的兩個(gè)站點(diǎn)間建立共享糾纏，即實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信?；诹孔又欣^的量子通信距離沒有原理上的限制?；诹孔又欣^的遠(yuǎn)程量子保密通信，即便所有中繼站都為敵方控制，終端間的通信依然是安全的。這是量子中繼相比于經(jīng)典中繼（又稱可信中繼）的最大優(yōu)勢(shì)。

近年來(lái)，以BB84協(xié)議和量子態(tài)隱形傳輸為代表的量子通信理論與實(shí)驗(yàn)在以越來(lái)越快的速度朝實(shí)用化和商用化方向迅猛發(fā)展。

2 量子通信的基本原理

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)保密通信最直接的辦法是讓通信雙方先共享一串密碼，然后以此密碼通過(guò)一次一密的加密方式對(duì)通信內(nèi)容加密、解密。Shannon 于1948年已經(jīng)證明，若密碼是安全的，則通信內(nèi)容嚴(yán)格安全?，F(xiàn)有的經(jīng)典協(xié)議不能確保通信雙方的共享密碼的安全性。例如，使用秘密信道建立共同密碼的方法。經(jīng)典通信不存在可證實(shí)的絕對(duì)安全的秘密信道，因?yàn)楦`聽者原則上總可以做到獲取“秘密通道”的信息（密碼）而又不留痕跡。合法用戶無(wú)從知曉通過(guò)

“秘密信道”發(fā)送的密鑰有沒有被竊聽。建立密鑰的另一種經(jīng)典方法是基于對(duì)特定數(shù)學(xué)問題的復(fù)雜性假定。然而，現(xiàn)有的復(fù)雜性假定并未獲得嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明，基于量子邏輯的大數(shù)分解算法卻從理論上證明了經(jīng)典RSA通信協(xié)議不安全。下面我們重點(diǎn)介紹量子密鑰分發(fā)理論協(xié)議的安全性問題。

2.1 BB84協(xié)議及其安全性

相比于經(jīng)典通信，量子通信的一個(gè)重大優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格數(shù)學(xué)證明下的安全性（絕對(duì)安全性）。為實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的保密通信，Benett與Brassard于1984年提出了首個(gè)量子密鑰分發(fā)協(xié)議，即著名的BB84協(xié)議。這種方案的安全性基于量子力學(xué)的兩個(gè)基本原理：?jiǎn)喂庾拥牟豢煞指钚院蛦喂庾恿孔討B(tài)的測(cè)量塌縮性。

在BB84協(xié)議以及大多數(shù)量子信息處理中，以單量子態(tài)對(duì)應(yīng)于經(jīng)典二進(jìn)制碼（bit）?；疽笫撬x擇的量子系統(tǒng)有兩個(gè)基本態(tài)。在BB84協(xié)議中水平或45°偏振對(duì)應(yīng)于經(jīng)典比特0；豎直或135°偏振對(duì)應(yīng)于經(jīng)典比特1. Alice向Bob發(fā)射一系列單光子偏振態(tài)。每個(gè)光子的偏振從水平、豎直、45°或135°中隨機(jī)選出?；蛘哒f(shuō)，Alice隨機(jī)使用了兩組基，我們稱之為直角基（水平，豎直偏振）及斜角基（45°偏振或135°偏振）。對(duì)每個(gè)飛入光子，Bob隨機(jī)選用直角或斜角基測(cè)量其偏振。Bob丟棄那些使用了錯(cuò)誤基得到的測(cè)量結(jié)果。對(duì)于剩下的測(cè)量記錄，隨機(jī)抽取一部分與Alice對(duì)照，檢驗(yàn)每組基下各態(tài)的誤碼率并丟棄這些公開宣布的用作檢驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果。再對(duì)剩余數(shù)據(jù)（我們稱之為初始碼）通過(guò)糾錯(cuò)，隱私放大而提煉出最終碼。

光子總是以一個(gè)整體出現(xiàn)。半個(gè)光子的事件從來(lái)不會(huì)發(fā)生。BB84協(xié)議要求傳輸?shù)膯喂庾用}沖，原理上不允許竊聽者通過(guò)分割光子并保留部分光子的辦法進(jìn)行竊聽。竊聽者要么獲得完整光子，要么什么都沒有獲得。量子物理學(xué)把測(cè)量視為物理學(xué)過(guò)程的一部分。對(duì)一個(gè)量子體系觀測(cè)，原則上會(huì)帶來(lái)擾動(dòng)。量子世界里不存在“靜悄悄地偷看”，即觀測(cè)而又不對(duì)被觀測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)。就是說(shuō)，觀測(cè)就會(huì)留下痕跡，這些構(gòu)成量子密鑰安全性的物理基礎(chǔ)。

嚴(yán)格的安全性證明最早由Mayers于 1996年給出。Shor與Preskill于1999年給出了大為簡(jiǎn)化的證明，其主要結(jié)論是：任何竊聽者對(duì)最終碼的信息量大于 δ的概率小于ε，其中ε，δ為指數(shù)接近于零點(diǎn)小量，如 100億分之一。最終碼的產(chǎn)出率取決于通道誤碼率。就BB84方案而言量子密鑰分發(fā)誤碼率上限值為11%。

雖然BB84方案已經(jīng)被證明是絕對(duì)安全的，這并不意味著任何以該方案為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)都是安全的。這是因?yàn)樗M(jìn)行的實(shí)驗(yàn)未必真正符合BB84安全性證明中所要求的前提條件。證明中假設(shè)了單光子源，由于技術(shù)難度極高，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)多采用單一強(qiáng)度弱激光，即弱相干態(tài)光。其安全性上存在一定問題，下面我們做簡(jiǎn)要的介紹。

2.2 光子數(shù)分離攻擊

如前所說(shuō)，單光子的不可分割性是量子密碼安全性的重要物理基礎(chǔ)。然而，多光子脈沖不再擁有不可分割性。例如，一個(gè)包含兩個(gè)光子的脈沖，原則上可以被分割為兩個(gè)單光子脈沖，所以其安全性基礎(chǔ)就不復(fù)存在了，就會(huì)遭受光子數(shù)分離攻擊，下面我們來(lái)具體介紹下光子數(shù)分離攻擊。由于量子 通信通道損耗率極大，對(duì)于100 km以上的距離，加上探測(cè)效率，整體效率將小于千分之一。根據(jù)理論證明，理想單光子源即便在高損耗通道下也是絕對(duì)安全的，可是實(shí)際系統(tǒng)使用的弱光在高損耗通道下則結(jié)果完全不同：竊聽者可以冒充通道損耗通過(guò)光子數(shù)分離攻擊而獲得全部密碼。弱相干態(tài)脈沖實(shí)際上是單光子與多光子脈沖的概率混合。即，在所發(fā)出的非真空脈沖中，有些是單光子的，有些是多光子的（2光子，3光子，…）。多光子脈沖即包含了多個(gè)全同偏振光子。竊聽者可將其分離，自己留下一個(gè)，將剩余光子送到遠(yuǎn)程合法用戶。對(duì)于這些多光子脈沖，竊聽者可以擁有與合法用戶完全一樣的偏振光子而不對(duì)遠(yuǎn)程合法用戶的光子偏振態(tài)造成任何擾動(dòng)。即，對(duì)于多光子脈沖，竊聽者可以擁有100%的信息而不被察覺。竊聽者可以選擇將所有單光子脈沖完全吸收而使得遠(yuǎn)程合法用戶的所有比特皆由光源的多光子脈沖產(chǎn)生。竊聽者的行為不會(huì)被合法用戶察覺，因?yàn)楦`聽者可以對(duì)每個(gè)單獨(dú)脈沖隨時(shí)調(diào)整通道衰減系數(shù)，從而使得遠(yuǎn)程合法用戶的探測(cè)器計(jì)數(shù)率等同于高損耗自然通道。

對(duì)于2005年以前的弱相干態(tài)密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，竊聽者可獲取全部信息而不留下任何痕跡。事實(shí)上，量子密碼發(fā)明者之一，Brassard等早在2000年就對(duì)弱相干態(tài)量子密碼實(shí)驗(yàn)做出批評(píng)，Brassard等在其著名論文的摘要部分指出：“Existing experimental s chemes （based on weak pulses） currently do not offer unconditional security for the reported distances and signal strength”，即：“現(xiàn)有基于（相干態(tài)）弱脈沖的做法，據(jù)其所報(bào)告的距離及所采用的脈沖強(qiáng)度，并不提供絕對(duì)安全性?！盉rassard的這一評(píng)論適用于2005年以前所有基于弱相干光的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。幸運(yùn)的是，于2005年起發(fā)展起來(lái)的誘騙態(tài)量子密碼理論，提供了一個(gè)基于弱相干光源的安全量子密鑰分發(fā)方案。

2.3 側(cè)信道攻擊和木馬攻擊

盡管量子通信技術(shù)在理論上具有“無(wú)條件安全性”，但理論方案安全性和實(shí)際系統(tǒng)安全性這兩個(gè)層面之間仍存在一條狹窄但分明的縫隙.利用量子保密通信系統(tǒng)器件的性能缺陷進(jìn)行竊聽，或者針對(duì)器件的弱點(diǎn)進(jìn)行主動(dòng)攻擊都可能削弱甚至破壞量子保密通信系統(tǒng)的安全性。自2000年以來(lái)，隨著量子通信技術(shù)的逐步實(shí)用化，實(shí)用系統(tǒng)中的安全攻防問題變得越來(lái)越重要，并引起研究者的高度重視。針對(duì)早期方案和實(shí)驗(yàn)技術(shù)中的安全性漏洞，已提出了大量的攻擊方案，如偽裝態(tài)攻擊、相位重映射攻擊、定時(shí)側(cè)信道攻擊、大脈沖攻擊、光學(xué)部件高能破壞攻擊等。這些攻擊方案，統(tǒng)稱為側(cè)信道攻擊和木馬攻擊。

“木馬攻擊”中的木馬是指實(shí)際的量子保密通信系統(tǒng)其信號(hào)源、接收器以及其他部件有可能存在的某種弱點(diǎn)，針對(duì)這種弱點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)攻擊方案，主動(dòng)誘使系統(tǒng)內(nèi)部信息泄露。如果不彌補(bǔ)器件的弱點(diǎn)，這種攻擊常常能有效地?fù)羝屏孔颖Ｃ芡ㄐ畔到y(tǒng)的安全性。比如說(shuō)“大脈沖攻擊”法，由于光學(xué)器件總會(huì)有一定反射能力。竊聽者因此向光路中發(fā)射高亮度激光。對(duì)于某些量子保密通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，被反射回來(lái)的光會(huì)被系統(tǒng)中的極化或相位調(diào)制器調(diào)制，這樣，攻擊者就得到了發(fā)射方信號(hào)態(tài)的極化或相位信息，而不會(huì)引入額外的干擾，也就不會(huì)被發(fā)現(xiàn)。再如“高能破壞攻擊”使用高亮度激光擊毀衰減器，破壞了弱相干光源，隨后就可以使用“分束器攻擊”或者“分離光子數(shù)攻擊”竊取密鑰。主動(dòng)攻擊法還有“偽裝態(tài)攻擊”“相位再映射攻擊”等。而側(cè)信道攻擊法是指量子通信系統(tǒng)可能存在泄漏密鑰信息的側(cè)信道。側(cè)信道攻擊最出名的就是分離光子數(shù)攻擊，此外，最近提出的針對(duì)有記憶的裝置無(wú)關(guān)QKD系統(tǒng)的攻擊就利用了經(jīng)典協(xié)商信道的側(cè)信道泄漏。

3 量子通信的基本方法

3.1 實(shí)用化點(diǎn)對(duì)點(diǎn)量子通信

該方法要求隨機(jī)改變相干態(tài)脈沖強(qiáng)度而測(cè)出單光子計(jì)數(shù)率。以此為輸入?yún)?shù)提煉出最終碼。采用該法所得最終碼，其安全性與用理想單光子源所獲最終碼等價(jià)。對(duì)于弱相干態(tài)光源所發(fā)射的脈沖，有一部分是多光子脈沖，一部分是單光子脈沖。誘騙態(tài)方法的主要功能是測(cè)算在接受端Bob的探測(cè)結(jié)果（初始碼）中，有多少起源于發(fā)射端（Alice端）光源的單光子脈沖，多少起源于發(fā)射端的多光子脈沖?；谶@個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)，就可以提煉出安全的最終碼，其安全性等同于只采用了由發(fā)射端單光子脈沖產(chǎn)生的那部分初始碼而拋棄了多光子脈沖產(chǎn)生的那部分初始碼。在安全性方面最后的效果就等同于使用了理想單光子源。

2003年，美國(guó)西北大學(xué)黃元瑛博士提出了在量子密碼理論實(shí)用化上具有革命性的Decoy-State思想用以解決光子數(shù)分離攻擊?？墒屈S的結(jié)果尚不能立即實(shí)用于現(xiàn)有真實(shí)系統(tǒng)，清華大學(xué)王向斌教授于2005年的理論研究表明，采用三強(qiáng)度隨機(jī)切換的誘騙信號(hào)量子密碼方案可以準(zhǔn)確偵察出任何竊聽行為，包括所謂的光子數(shù)分離攻擊，并可立即實(shí)用于現(xiàn)有真實(shí)系統(tǒng)，其中包含通道噪聲，大損耗等。三強(qiáng)度誘騙信號(hào)方法可以讓合法用戶計(jì)算出至關(guān)重要的參量：多光子脈沖份額的上限值。有此上限值，結(jié)合前人理論結(jié)果，便可以獲得絕對(duì)安全的最終碼。由該理論給出的關(guān)鍵計(jì)算公式，誘騙態(tài)方法具有了立即的實(shí)用價(jià)值。這也使得量子密鑰分發(fā)有可能成為整個(gè)量子信息領(lǐng)域最先走入社會(huì)實(shí)用的分支。

誘騙態(tài)方法的首個(gè)實(shí)驗(yàn)由清華大學(xué)和中國(guó)科技大學(xué)等單位的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)完成，這也成為歷史上首次超過(guò)100 km的安全量子密鑰分發(fā)。同一時(shí)期的實(shí)驗(yàn)還有美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局團(tuán)隊(duì)的合作實(shí)驗(yàn)、維也納大學(xué)等單位的實(shí)驗(yàn)等。此后，中國(guó)科技大學(xué)結(jié)合光開關(guān)技術(shù)，把誘騙態(tài)方法用于量子網(wǎng)絡(luò)，先后實(shí)現(xiàn)了3節(jié)點(diǎn)與5節(jié)點(diǎn)的量子網(wǎng)絡(luò)安全通信。迄今為止，基于誘騙態(tài)方法的量子密鑰分發(fā)已經(jīng)至少獲得世界主要研究機(jī)構(gòu)近20個(gè)公開發(fā)表的在不同條件下的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。盡管誘騙態(tài)方法未必就是唯一方法，由于其安全性和實(shí)用性，事實(shí)上，誘騙態(tài)方法已經(jīng)成為當(dāng)前量子密碼走向?qū)嶋H應(yīng)用的最重要方法。近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)家們致力于參與這一主戰(zhàn)場(chǎng)的研究，在實(shí)驗(yàn)與理論方面取得國(guó)際領(lǐng)先的廣泛成果.自清華—中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)2007年在國(guó)際上率先利用誘騙態(tài)手段實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)安全距離超過(guò)一百公里的量子密鑰分發(fā)以來(lái)，中國(guó)科技大學(xué)潘建偉小組又于2010年率先實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全距離達(dá)200 km的量子密鑰分發(fā)，為目前國(guó)際上絕對(duì)安全量子密鑰分發(fā)最遠(yuǎn)距離。他們還采用光開關(guān)技術(shù)，于2008年10月初完成了誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)的“光量子電話網(wǎng)”（此前國(guó)內(nèi)外其他小組的量子密碼網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)因?yàn)闆]有采用誘騙態(tài)方法而不安全）。清華大學(xué)王向斌小組則通過(guò)系統(tǒng)化的理論研究已經(jīng)證明即便光源強(qiáng)度有較大漲落誘騙態(tài)方法依然有效，給出了相關(guān)安全成碼的計(jì)算公式。

3.2 量子網(wǎng)絡(luò)通信

輔以光開關(guān)技術(shù)后，誘騙態(tài)方法還可用以實(shí)現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)。由于沒有量子存儲(chǔ)器，這種網(wǎng)絡(luò)的量子密鑰分發(fā)距離不能超越點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的量子密鑰分發(fā)距離。然而，網(wǎng)絡(luò)上的任何兩個(gè)用戶可以通過(guò)光開關(guān)切換實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)。我國(guó)在2009年實(shí)現(xiàn)了3節(jié)點(diǎn)的鏈狀量子通信網(wǎng)絡(luò)，為世界上首個(gè)基于誘騙態(tài)方案的量子語(yǔ)音通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通話和三方對(duì)講功能，演示了無(wú)條件安全的量子通信的可實(shí)用化。此成果很快被美國(guó)《Science》雜志以“量子電話”為題進(jìn)行了報(bào)道，亦被歐洲物理學(xué)會(huì)《物理世界》以“中國(guó)誕生量子網(wǎng)絡(luò)”為題做了專題報(bào)道。隨后，又實(shí)現(xiàn)了 5節(jié)點(diǎn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，是國(guó)際上首個(gè)全通型的量子通信網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點(diǎn)全部演示了安全的語(yǔ)音通信。值得指出的是，與歐洲SECOQC網(wǎng)絡(luò)以及Tokyo QK D n etwork不同，這兩個(gè)量子通信網(wǎng)絡(luò)是基于誘騙態(tài)方案的成熟技術(shù)，追求并逐步實(shí)現(xiàn)滿足信息論定義下嚴(yán)格安全性要求的實(shí)用性，而不是歐洲、美國(guó)和日本同行所做的多種技術(shù)的混合展示。我國(guó)此類小規(guī)模的演示性網(wǎng)絡(luò)還有多節(jié)點(diǎn)的城域量子政務(wù)網(wǎng)。

3.2.1 3節(jié)點(diǎn)量子電話網(wǎng)

2008年10月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉組在合肥建成了一個(gè)基于可信中繼方式的3節(jié)點(diǎn)量子電話網(wǎng)。采用相位編碼的誘騙態(tài)BB84方案。

USTC和 Binhu以及USTC 和Xinglin之間各建成了一套誘騙態(tài)QKD。USTC 的節(jié)點(diǎn)同時(shí)充當(dāng)了可信中繼的角色。原則上，另兩個(gè)節(jié)點(diǎn)也可以充當(dāng)可信中繼，進(jìn)一步擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)。

兩條鏈路的量子信道光纖長(zhǎng)度都在20 k m左右，最終成碼率均大于15 kbps。這個(gè)指標(biāo)可以滿足基于“One Time Pad” 的保密電話需求。

該網(wǎng)絡(luò)在國(guó)際上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)量子加密電話應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)，時(shí)間上和SECOQC基本同步，性能指標(biāo)也基本上相同。該網(wǎng)絡(luò)的建成是量子通信一次最生動(dòng)的應(yīng)用展示，使我國(guó)量子通信的應(yīng)用水平一下子步入國(guó)際前列，在世界上激起了很大的反響。

3.2.2 5節(jié)點(diǎn)量子電話網(wǎng)

2009年8月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉小組在合肥建成了一個(gè)星型 5節(jié)點(diǎn)全通量子電話網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)最短通信距離約為17 km。該網(wǎng)絡(luò)在通信距離為20 k m時(shí)，安全成碼率最低，仍可達(dá)120 kbps。因此該網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)基于“One t ime pad”的安全保密電話功能。

該網(wǎng)絡(luò)第一次實(shí)現(xiàn)了任意節(jié)點(diǎn)間實(shí)時(shí)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)控制功能，對(duì)于量子通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)的成熟具有重要意義。

3.3 量子糾纏與量子通信

作為量子信息處理上最重要的資源之一，量子糾纏在量子保密通信上的應(yīng)用價(jià)值主要有兩個(gè)方面：一是直接基于糾纏分發(fā)可以實(shí)現(xiàn)共享量子密鑰，二是基于量子中繼的遠(yuǎn)程量子通信的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的量子糾纏態(tài)是指一種兩光子態(tài)的線性疊加態(tài)。

由于兩個(gè)光子可以位于空間不同地點(diǎn)，糾纏光子對(duì)可以形成不同地域的非經(jīng)典關(guān)聯(lián)。這種關(guān)聯(lián)性可以直接用于共享密鑰。借助于不同地點(diǎn)預(yù)先共享糾纏光子對(duì)，可以實(shí)現(xiàn)量子態(tài)隱形傳輸。這也是基于量子中繼的遠(yuǎn)程量子通信的基礎(chǔ)技術(shù)。量子糾纏對(duì)還可用于一類容錯(cuò)量子保密通信中。

3.3.1 量子糾纏分發(fā)

所有基于糾纏的量子通信任務(wù)都需要通信雙方預(yù)先共享量子糾纏態(tài)。因此，糾纏光子對(duì)分發(fā)技術(shù)是一切后續(xù)目標(biāo)的基礎(chǔ)。光子對(duì)在偏振空間的糾纏態(tài)由于檢測(cè)方式簡(jiǎn)單和各種其他的易操作性，這種糾纏光子對(duì)具有特別重要的應(yīng)用前景。近年來(lái)，這方面的實(shí)驗(yàn)研究十分活躍。維也納小組于2003年完成了600 m距離的自由空間偏振糾纏分發(fā)。后來(lái)有其他歐美小組在光纖中實(shí)現(xiàn)了1 km的量子糾纏分發(fā)。我國(guó)科學(xué)家于2006年完成了13 km距離的自由空間偏振糾纏分發(fā)。其糾纏源來(lái)自基于BBO晶體的II型參量下轉(zhuǎn)換。在經(jīng)過(guò)濾波片后每秒約產(chǎn)出10000個(gè)糾纏對(duì)，波長(zhǎng)為702.2 nm，后光路采用了大型望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)進(jìn)行接收探測(cè)。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果一個(gè)標(biāo)志性的意義在于首次證實(shí)光子糾纏對(duì)分發(fā)距離可以超過(guò)與大氣層等效衰減的距離。這對(duì)尚在論證中的以衛(wèi)星為中轉(zhuǎn)站的洲際量子密鑰分發(fā)的可行性無(wú)疑有著重要啟示。除了自由空間外，糾纏光子對(duì)分發(fā)也在光纖中也成功實(shí)現(xiàn)了。現(xiàn)今實(shí)用中的偏振糾纏對(duì)主要依靠下轉(zhuǎn)換方法產(chǎn)生。這是一種概率性糾纏源。研究表明，高品質(zhì)確定性糾纏源是有可能的。

3.3.2 量子態(tài)隱形傳輸

量子態(tài)隱形傳輸就是把量子信息從一個(gè)光子上轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)處另外一個(gè)光子上而不必傳輸光子本身。實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)需要空間兩處預(yù)先共享糾纏光子對(duì)，在實(shí)施隱形態(tài)傳輸時(shí)還需在一個(gè)端點(diǎn)進(jìn)行 Bell測(cè)量，之后依據(jù)此測(cè)量結(jié)果對(duì)另一個(gè)端點(diǎn)的偏振光子進(jìn)行適當(dāng)操作。

首個(gè)量子態(tài)隱形傳輸于1997年底在奧地利 Zeilinger小組完成。這項(xiàng)工作由 Bouwmeester以及中國(guó)學(xué)者潘建偉等人基于下轉(zhuǎn)換光子對(duì)以及分光鏡的集體測(cè)量技術(shù)完成。這項(xiàng)工作引起了全世界的廣泛關(guān)注，也使得全世界對(duì)量子信息的研究熱潮空前高漲。之后，世界各國(guó)科學(xué)家對(duì)這一問題進(jìn)行了更加廣泛和深入的研究。其中，中國(guó)學(xué)者們?cè)谑澜绺鞯囟既〉昧硕囗?xiàng)領(lǐng)先實(shí)驗(yàn)成果。他們于2003年首次在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了基本四光子的量子態(tài)隱形傳輸試驗(yàn)，使得量子態(tài)隱形傳輸能應(yīng)用在更加廣泛的量 子通信和量子計(jì)算中。2004年，在首次實(shí)現(xiàn)五光子糾纏的基礎(chǔ)上，又實(shí)現(xiàn)了一種更新穎的量子態(tài)隱形傳輸，即終端開放的量子態(tài)隱形傳輸，為后繼分布式量子信息處理做出了貢獻(xiàn)。2006年，首次實(shí)現(xiàn)了兩光子復(fù)合系統(tǒng)的量子態(tài)隱形傳輸。此前，所有的量子態(tài)隱形傳輸實(shí)驗(yàn)都只能傳輸單個(gè)粒子的量子態(tài)，而實(shí)現(xiàn)復(fù)合系統(tǒng)量子態(tài)隱形傳輸一直是個(gè)巨大的實(shí)驗(yàn)難題。2010年，中國(guó)學(xué)者們?cè)谥袊?guó)本土更實(shí)現(xiàn)了舉世矚目跨越長(zhǎng)城的 16 km距離的量子態(tài)隱形傳輸。到2012年，中國(guó)科學(xué)家們?cè)谇嗪：貐^(qū)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了百公里量級(jí)的量子態(tài)隱形傳輸和量子密鑰分發(fā)，這也是迄今為止真正量子糾纏分發(fā)的最遠(yuǎn)距離。同 1997年首個(gè)實(shí)驗(yàn)的厘米量級(jí)相比，其進(jìn)展在10多年前是根本不敢想象的。這一成果將對(duì)遠(yuǎn)距離量子通信的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

量子態(tài)隱形傳輸技術(shù)可直接用于糾纏轉(zhuǎn)換。糾纏轉(zhuǎn)換是量子中繼的基本操作單元，是可以用來(lái)克服遠(yuǎn)距離量子通信中的光子數(shù)損耗的最終手段。

1998年，潘建偉等人首次實(shí)現(xiàn)了量子糾纏交換，使得沒有經(jīng)過(guò)任何相互作用的兩個(gè)光子產(chǎn)生了量子糾纏。我們?nèi)绻诂F(xiàn)有的遠(yuǎn)距離自由空間的量子傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)同等距離量級(jí)的糾纏轉(zhuǎn)換，這將成為量子中繼的重要基礎(chǔ)。

3.3.3 量子糾纏純化

糾纏是量子通信中的基本資源。然而，在糾纏分發(fā)過(guò)程中，由于通道噪聲，遠(yuǎn)距離的共享糾纏光子對(duì)質(zhì)量會(huì)有下降，從而影響量子通信任務(wù)的實(shí)現(xiàn)。糾纏對(duì)提純理論結(jié)論是，只要初始共享的糾纏對(duì)噪聲低于一定水平，就可以提煉出較少對(duì)的純糾纏對(duì)，對(duì)純糾纏對(duì)在兩端進(jìn)行同一基矢測(cè)量即可獲得絕對(duì)安全的密碼。最初的量子糾纏純化方案需要用到受控非門，但精確的受控非門無(wú)法用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)。2001年，潘建偉等提出了無(wú)需受控非門的糾纏純化理論方案，使得以現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)糾纏純化成為可能。2003年，他們利用該方案成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)任意糾纏態(tài)的糾纏純化，《Nature》雜志以封面論文的形式發(fā)表了該研究成果。

3.4 量子中繼與遠(yuǎn)程量子通信及遠(yuǎn)程量子網(wǎng)絡(luò)通信

目前采用誘騙態(tài)方法的最遠(yuǎn)實(shí)驗(yàn)距離是 200 km。盡管隨著檢測(cè)技術(shù)的提高，該距離還會(huì)進(jìn)一步提高，但是，由于成碼率隨著距離呈指數(shù)衰減，而單量子態(tài)信號(hào)又不能在中途放大，因此，基于經(jīng)典相干態(tài)光源的誘騙態(tài)方法很難直接完成全球化量子通信任務(wù)。

遠(yuǎn)程量子通信的最終實(shí)現(xiàn)將依賴于量子中繼。其基本思想是：在空間建立許多站點(diǎn)。以量子糾纏分發(fā)技術(shù)先在各相鄰站點(diǎn)間建立共享糾纏對(duì)，以量子存儲(chǔ)技術(shù)將糾纏對(duì)儲(chǔ)存。采用遠(yuǎn)距離自由空間傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)量子糾纏轉(zhuǎn)換，即增長(zhǎng)量子糾纏對(duì)的空間分隔距離。如果預(yù)先將糾纏對(duì)布置在各相鄰站點(diǎn)，糾纏轉(zhuǎn)換操作后便可實(shí)現(xiàn)次近鄰站點(diǎn)間的共享糾纏。繼續(xù)操作下去，原則上可以實(shí)現(xiàn)在很遠(yuǎn)的兩個(gè)站點(diǎn)間建立共享糾纏。即實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信。

量子中繼與經(jīng)典中繼（俗稱“可信中繼”）在安全性上是完全不一樣的?？尚胖欣^是通過(guò)中繼把形成的密碼“接力”下去。它要求所有中繼站都是安全的。在通信雙方跨越的中繼站中只要有一個(gè)不安全，則通信內(nèi)容完全不安全。而量子中繼的中繼站只轉(zhuǎn)換糾纏卻看不到密碼。即便所有中繼站都不安全，兩個(gè)通信終端間形成的密鑰及以此為基礎(chǔ)的通信仍然絕對(duì)安全。

如前文所述，實(shí)現(xiàn)量子中繼的幾項(xiàng)基本技術(shù)組件，量子糾纏分發(fā)，量子糾纏轉(zhuǎn)換已經(jīng)獲得10 k m量級(jí)的實(shí)現(xiàn)，這已經(jīng)具備建立具有實(shí)際價(jià)值的量子中繼站的要求。要實(shí)現(xiàn)有意義的量子中繼，還需要能對(duì)量子糾纏態(tài)存儲(chǔ)。這項(xiàng)要求具有巨大挑戰(zhàn)性，實(shí)際上是量子中繼的最關(guān)鍵技術(shù)。2007年，潘建偉小組提出了具有存儲(chǔ)功能并且對(duì)信道長(zhǎng)度抖動(dòng)不敏感、誤碼率低的高效率量子中繼器的理論方案；在此基礎(chǔ)上，2008年，該小組利用冷原子氣體在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了具有存儲(chǔ)和讀出功能的量子中繼器，建立了由300 m光纖連接的兩個(gè)冷原子系綜之間的量子糾纏。這種冷原子系綜之間的量子糾纏可以被讀出并轉(zhuǎn)化為光子糾纏，以進(jìn)行進(jìn)一步的傳輸和量子操作?！禢ature》雜志發(fā)布了題為“量子推動(dòng)”的新聞稿，稱贊該工作“掃除了量子通信中的一大絆腳石”，并在網(wǎng)頁(yè)上發(fā)布了題為“量子密碼可以走遠(yuǎn)了”的報(bào)道。同年底，該成果入選歐洲物理學(xué)會(huì)評(píng)選的“The b est of 2008”。2009年，清華大學(xué)小組提出了改進(jìn)的方案，使得容錯(cuò)量子中繼操作甚至無(wú)需校驗(yàn)光。

3.5 自由空間量子通信

自由空間量子通信是解決光子數(shù)信道損耗問題的另一有效途徑。研究表明，利用低軌衛(wèi)星和自由空間糾纏光子分發(fā)，通過(guò)“量子信號(hào)從地面上發(fā)射并穿透大氣層——衛(wèi)星接收到量子信號(hào)并按需要將其轉(zhuǎn)發(fā)到另一特定衛(wèi)星——量子信號(hào)從該特定衛(wèi)星上再次穿透大氣層到達(dá)地球某個(gè)角落的指定接收地點(diǎn)”的方法，很有希望實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離乃至全球化的量子通信。由于量子信號(hào)的攜帶者光子在外層空間傳播時(shí)幾乎沒有損耗，如果能夠在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)糾纏光子在穿透整個(gè)大氣層后仍然存活并保持其糾纏特性，人們就可以在衛(wèi)星的幫助下實(shí)現(xiàn)全球化的量子通信。2005年的13 km自由空間量子糾纏和量子密鑰分發(fā)，和2010年的16 km遠(yuǎn)距離自由空間量子態(tài)隱形傳輸實(shí)驗(yàn)，2013年實(shí)現(xiàn)的基于浮空平臺(tái)，利用了多項(xiàng)自動(dòng)跟蹤掃描對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)以及之前的量子糾纏實(shí)驗(yàn)為星地量子通信打下了重要基礎(chǔ)。

4 關(guān)鍵技術(shù)

現(xiàn)有的量子保密通信的物理實(shí)現(xiàn)方式大多基于單光子水平的弱相干光和糾纏光通信。主要硬件技術(shù)包括弱相干光源和糾纏光源，傳輸與檢測(cè)。在軟體方面還包括最終碼提煉（編碼）技術(shù)。衡量系統(tǒng)先進(jìn)性的主要指標(biāo)是產(chǎn)生安全最終碼的成碼能力。系統(tǒng)每秒生成安全最終碼正比于系統(tǒng)重復(fù)率與每脈沖成碼率。而每脈沖成碼率除了受到誤碼率和損耗率的影響外，還取決于提煉（編碼）軟體技術(shù)。可以從提高光源編碼質(zhì)量，通道傳輸，以及同步檢測(cè)，探測(cè)器效率等方面來(lái)降低誤碼率。此外，對(duì)于無(wú)存儲(chǔ)量子通信網(wǎng)絡(luò)，以光開關(guān)為代表的弱光傳輸路徑的有效控制也是關(guān)鍵技術(shù)之一。

基于量子中繼器的未來(lái)遠(yuǎn)程量子網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)基礎(chǔ)包括光存儲(chǔ)和兩光子態(tài)的聯(lián)合測(cè)量。目前這兩項(xiàng) 技術(shù)都已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中獲得實(shí)現(xiàn)。然而，量子關(guān)鍵器件的研發(fā)，對(duì)量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)用化至關(guān)重要。其中，單光子探測(cè)系統(tǒng)是處于核心地位的量子關(guān)鍵器件，其參數(shù)指標(biāo)直接制約著量子通信系統(tǒng)的性能，其性能提升對(duì)于量子通信系統(tǒng)起著基礎(chǔ)性的作用，目前較為前沿的有高速誘騙態(tài)光源技術(shù)、基于周期極化鈮酸鋰波導(dǎo)的上轉(zhuǎn)換探測(cè)器技術(shù)、高速近紅外單光子探測(cè)技術(shù)等。

5 總結(jié)與展望

經(jīng)典保密通信的安全性未獲數(shù)學(xué)證明。借助量子特性可以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格數(shù)學(xué)證明的安全通信。雖然以弱相干態(tài)為源的現(xiàn)有系統(tǒng)對(duì)其所報(bào)告的密鑰分發(fā)距離并不安全，但我們?nèi)匀挥衅渌k法用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的量子密碼系統(tǒng)，例如誘騙態(tài)方法、糾纏對(duì)分發(fā)方法等。就未來(lái)而言，理想單光子源或糾纏源技術(shù)的發(fā)展將會(huì)大大提高量子密碼系統(tǒng)的效率與實(shí)用性能。有了量子糾纏方法，提煉、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)為技術(shù)基礎(chǔ)的量子中繼技術(shù)將會(huì)最終實(shí)現(xiàn)任意遠(yuǎn)距離的安全量子通信及通信網(wǎng)絡(luò)。由于篇幅有限，本文中有關(guān)量子通信的實(shí)現(xiàn)部分，僅選擇了部分基于線性光學(xué)的方法。本文未涉及連續(xù)變量的量子通信，例如連續(xù)變量量子糾纏、連續(xù)變量量子隱型態(tài)傳輸、連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)等重要內(nèi)容；也未包含在量子通信上有重要潛在應(yīng)用價(jià)的量子存儲(chǔ)、指示單光子源誘騙態(tài)方法等內(nèi)容。

【作者單位：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)公共事務(wù)學(xué)院；清華大學(xué)物理系低微量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；量子信息與量子科學(xué)前沿協(xié)同創(chuàng)新中心】

（摘自《中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)》2014年第3期）

責(zé)任編輯：吳曉麗