經典通信和量子通信

安全地進行信息的傳遞是千百年來人類的夢想之一，而在今日這個信息技術飛速進步的時代，安全通信卻幾乎成為海市蜃樓。由于經典信息容易被復制，因此保障通信安全的主要方法就是加密信息，使竊取者即使復制了加密后的密文也無法讀取原文。

人們已經發(fā)展出了各種各樣的經典密碼加密算法，它們主要是利用計算的復雜性來確保通信安全——竊聽者在沒有解密密鑰的情況下，在有限的時間內無法完成破譯所需的大量計算。但是這種方法的安全性在理論上缺乏證明——數學的不斷進步可能使得一些現在看起來無法利用數學方法破解的加密解密算法在未來得以破解，因此這種方法遠不能保證建造“絕對安全”的通信系統，而且在實際應用中也存在著加密和解密效率低下等諸多問題。

更嚴峻的是，隨著計算科學和技術的發(fā)展，人類所擁有的計算能力的提升速度和潛力已遠遠超過了人們最初的想象，經典密碼加密技術對于通信安全的保障能力也顯得遠非人們預先估計的那么可靠了。尤其是上世紀70年代以來，量子計算概念的提出和它的初步實驗演示，更如同經典密碼安全性上方高懸的“達摩克利斯之劍”，隨時威脅著經典通信系統的安全。

量子通信系統的問世，重新點燃了建造“絕對安全”通信系統的希望。根據量子物理的基本原則，未知“量子”的態(tài)不能被精確地復制，任何探測它的企圖都會改變它的狀態(tài)。那么，被某人擁有的“量子態(tài)”，就不能被任何其他人偷窺，因為可以通過檢測“量子態(tài)”是否改變，從而知道是否有人試圖窺測這個“量子態(tài)”。當我們利用“量子態(tài)”來記載我們的經典信息時，這種奇妙的性質就可以保證無人再能窺探那些“不能說的秘密”。通向“絕對安全通信”這個千百年來人類夢想大道的入口，在量子物理的指引下，又重新顯露在視野之中。

量子通信原理

單個光量子不可分割和量子不可克隆原理這些量子世界的奇特性質，可以為我們提供一種新型的安全通信方式，我們稱為量子密鑰分發(fā)、量子保密通信或簡稱量子通信。在量子通信過程中，發(fā)送方和接收方采用單光子的狀態(tài)作為信息載體來建立密鑰。竊聽者可能用三種方法進行竊聽。

第一種方法是將單光子分割成兩部分，讓其中一部分繼續(xù)傳送，而對另一部分進行狀態(tài)測量獲取密鑰信息。但由于單光子不可分割，因此這是不可能的。

第二種可能的方法是竊聽者可能希望截取單光子后，測量其狀態(tài)，然后根據測量結果發(fā)送一個新光子給接收方。但由于竊聽者不能精確地對光子的狀態(tài)進行測量，她/他發(fā)送給接收方的光子的狀態(tài)與其原始狀態(tài)會存在偏差。

這樣，發(fā)送方和接收方可以利用這個偏差來探測到竊聽者對光子的測量擾動，從而檢驗他們之間所建立的密鑰的安全性。第三種可能的方法是竊聽者截取單光子后，通過復制單光子的狀態(tài)來竊取信息。但按照前面所講的量子不可克隆原理，未知的量子態(tài)不可能被精確復制。因此，量子通信是基于量子力學的基本原理，無論是現在還是將來，無論破譯者掌握了多么先進的竊聽技術、多強大的破譯能力，只要量子力學規(guī)律成立，由量子通信建立起的秘密就無法被破解。

全球首顆量子衛(wèi)星8月16日凌晨發(fā)射

量子通信的發(fā)展歷史與國內外現狀

1984年，美國IBM公司的Bennett和加拿大蒙特利爾大學的Brassard共同提出了第一個量子密碼通信方案，即著名的BB84方案，標志著量子通信領域的誕生。但他們的論文當時發(fā)表在一個會議上，因此未能引起廣泛的關注。

1992年，Bennett提出了簡化的BB84方案（稱為B92方案）并和Bessette合作，第一次實驗上原理性演示了量子密鑰分發(fā)。此后，量子密碼分配開始得到各方的重視。

從1993年到2005年這個階段，實驗技術發(fā)展得很快。1995年，中科院物理所吳令安小組在實驗室內完成了我國最早的量子密鑰分發(fā)實驗演示。

2000年，該小組又與中科院研究生院合作利用單模光纖完成了1.1公里的量子密鑰分發(fā)演示實驗。

2002年至2003年間，瑞士日內瓦大學Gisin小組和我國華東師范大學曾和平小組分別在67公里和50公里光纖中演示了量子密鑰分發(fā)。

2004年，英國劍橋Shields小組和日本NEC公司分別實現了122公里和150公里的光纖量子密鑰分發(fā)演示性實驗。

2005年，中國科大郭光燦小組在北京和天津之間也實現了125公里光纖的量子密鑰分發(fā)演示性實驗。

到2005年時，國際上已經有三個實驗小組聲稱可以將通信距離達到100公里以上，但是理論研究上的深入，卻表明由于當時普遍使用弱相干光源模擬理論方案中的單光子源，因此當時所有的量子通信實驗實際都是存在安全隱患的，使得當時的安全通信距離只有10公里量級，不具有實用價值。

2005年，華人科學家王向斌、羅開廣、馬雄峰和陳凱等共同提出了基于誘騙態(tài)的量子密鑰分發(fā)實驗方案，從理論上把安全通信距離大幅度提高到100公里以上。

2006年，中國科學技術大學潘建偉團隊在世界上首次利用誘騙態(tài)方案實現了安全距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)實驗。同時，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室-美國國家標準局聯合實驗組和Zeilinger教授領導的歐洲聯合實驗室也使用誘騙態(tài)方案實現了安全距離超過100公里量子密鑰分發(fā)。這三個實驗同時發(fā)表在國際著名物理學期刊《物理評論快報》上，真正打開了量子通信技術應用的大門，量子通信得以從實驗室演示開始走向實用化和產業(yè)化。

廣域量子通信的發(fā)展路線圖

量子通信發(fā)展的前景

經過20年的發(fā)展，量子通信技術已經從實驗室演示走向產業(yè)化和實用化，目前正在朝著高速率、遠距離、網絡化的方向快速發(fā)展。由于量子通信是事關國家信息安全和國防安全的戰(zhàn)略性領域，且有可能改變未來信息產業(yè)的發(fā)展格局，因此成為世界主要發(fā)達國家如歐盟、美國、日本、瑞士等優(yōu)先發(fā)展的科技和產業(yè)高地。

在歐洲，歐盟于2008年發(fā)布了《量子信息處理與通信戰(zhàn)略報告》，提出了歐洲量子通信的分階段發(fā)展目標，包括實現地面量子通信網絡、星地量子通信、空地一體的千公里級量子通信網絡等。

2008年9月，歐盟發(fā)布了關于量子密碼的商業(yè)白皮書，啟動量子通信技術標準化研究，并聯合了來自12個歐盟國家的41個伙伴小組成立了“基于量子密碼的安全通信”(SECOQC)工程，這是繼歐洲核子中心和國際空間站后又一大規(guī)模的國際科技合作。同年，該工程在維也納現場演示了一個基于商業(yè)網絡的包含6個節(jié)點的量子通信網絡。

2016年4月19日，歐盟委員會正式宣布計劃啟動總額10億歐元的量子技術旗艦項目，目標是建立極具競爭性的歐洲量子產業(yè)，包括量子通信、量子計算及量子測量等，以增強歐洲在量子研究方面的科學領導力和卓越性，而英國政府早在2015年初就已先期配套約3億英鎊用于支持該量子旗艦項目的啟動。

在美國，美國國防部2013-2017年科技發(fā)展“五年計劃”中，將“量子信息與控制技術”列為未來重點關注的六大顛覆性研究領域，同時將IBM、美國國防部高級研究計劃署（DARPA）、中國科學技術大學、美國洛克希德馬丁公司和日本NTT公司列為該領域的重要研究機構；美國國防部支持的“高級研究與發(fā)展活動”(ARDA)計劃到2014年將量子通信應用拓展到衛(wèi)星通信、城域以及長距離光纖網絡。國防部高級研究計劃署（DARPA）和Los Alamos國家實驗室于2009年分別建成了兩個多節(jié)點量子通信互聯網絡，并與空軍合作進行了基于飛機平臺的自由空間量子通信研究。

2014年，美國航空航天局（NASA）正式提出了在其總部與噴氣推進實驗室（JPL）之間建立一個直線距離600公里、光纖皮長一千公里左右的包含十個骨干節(jié)點的遠距離光纖量子通信干線的計劃，并計劃拓展到星地量子通信。同年，全球最大的獨立科技研發(fā)機構美國Battelle公司提出了商業(yè)化的廣域量子通信網絡規(guī)劃，計劃建造環(huán)美國的萬公里量子通信骨干網絡，為谷歌、IBM、微軟、亞馬遜等公司的數據中心之間提供量子通信服務。

日本也提出了量子信息技術長期研究戰(zhàn)略，目前年投入2億美元，規(guī)劃在5至10年內建成全國性的高速量子通信網。日本的國家情報通信研究機構（NICT）也啟動了一個長期支持計劃。日本國立信息通信研究院計劃在2020年實現量子中繼，到2040 年建成極限容量、無條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網絡。

2010年，日本NICT主導，聯合當時歐洲和日本在量子通信技術上開發(fā)水平最高的公司和研究機構，在東京建成了6節(jié)點城域量子通信網絡“Tokyo QKD Network”。東京網在全網演示了視頻通話，并演示網絡監(jiān)控。

我國政府也高度重視量子通信技術的發(fā)展，積極應對激烈的國際競爭。近年來，在中科院、科技部、基金委等部門以及有關國防部門的大力支持下，我國科學家在發(fā)展可實用量子通信技術方面開展了系統性的深入研究，在產業(yè)化預備方面一直處于國際領先水平。

2006年，潘建偉團隊在有關國防部門的要求下開始開展量子通信裝備預先研究項目。

2008年，該團隊在合肥市實現了國際上首個全通型量子通信網絡，并利用該成果為60周年國慶閱兵關鍵節(jié)點間構建了“量子通信熱線”，為重要信息的安全傳送提供了保障。

2009年，該團隊又在世界上率先將采用誘騙態(tài)方案的量子通信距離突破至200公里。

2011年起，潘建偉團隊承擔了首個相關國防裝備演示驗證項目，為型號研制和最終裝備奠定了技術基礎。

2012年，該團隊在合肥市建成了世界上首個覆蓋整個合肥城區(qū)的規(guī)?；?6個節(jié)點）量子通信網絡，標志著大容量的城域量子通信網絡技術已經成熟。同年，該團隊與新華社合作建設了“金融信息量子通信驗證網”，在國際上首次將量子通信網絡技術應用于金融信息的安全傳輸。

2012年底起，潘建偉團隊的最新型量子通信裝備在北京投入常態(tài)運行，為“十八大”、 紀念抗戰(zhàn)勝利70周年閱兵等國家重大活動提供信息安全保障。

2013年，潘建偉團隊又在核心量子通信器件研究上取得重要突破，他們成功開發(fā)了國際上迄今為止最先進的室溫通信波段單光子探測器，并利用該單光子探測器在國際上首次實現了測量器件無關的量子通信，成功解決了現實環(huán)境中單光子探測系統易被黑客攻擊的安全隱患，大大提高了現實條件下量子通信系統的安全性。

潘建偉團隊在基于量子存儲的量子中繼研究方面處于國際領先地位。量子中繼器的核心在于量子存儲，一直以來都是重大的挑戰(zhàn)。沒有量子存儲器，實現量子通信的成本將隨通道長度指數增加。

2001年，結合線性光學和原子系綜，旅美學者段路明及其同事建議了一個實現量子中繼器實現方案（DLCZ方案），但是該方案難以在現實通信環(huán)境中實現。

為了克服相關的缺陷，2006年潘建偉團隊又提出了一種容錯的量子中繼器方案（哈佛大學的Lukin小組也獨立地提出了類似的理論方案），忠實地給出了原始的量子中繼器的一個物理實現方法?；谶@些方案，國際上有多個實驗小組先后開展了原子系綜相關的實驗研究，如哈佛大學的Lukin小組、加州理工學院的Kimble小組、喬治亞理工學院的Kuzmich小組、中國科學技術大學和德國海德堡大學的潘建偉聯合小組等。這方面的研究已取得了一系列激動人心的進展，包括實現了可控的單光子源、單光子的讀出和異地存儲、光子－原子系綜糾纏等。

2008年，潘建偉團隊利用冷原子量子存儲首次實現了具有存儲和讀出功能的糾纏交換，完美演示了量子中繼器。

2009年，該團隊又將量子存儲的時間提高到毫秒量級，較之前最好的結果提高了兩個量級。

2012年，該團隊成功實現了3.2毫秒的存儲壽命及73%的讀出效率的量子存儲，為當時國際上量子存儲綜合性能指標最好的實驗結果；最近，該團隊又實現了220毫秒的存儲壽命及76%的讀出效率的量子存儲，已可滿足600公里量子中繼的需求。

潘建偉團隊還是國內唯一領銜開展自由空間（星-地）量子通信實驗研究的團隊。

2005年，該團隊在國際上首次在相距13公里的兩個地面目標之間實現了自由空間中的糾纏分發(fā)和量子通信實驗，明確表明光量子信號可以穿透等效厚度約10公里的大氣層實現地面站和衛(wèi)星之間自由空間保密量子通信。

2007年，該團隊在長城實現了16公里水平高損耗大氣信道的量子態(tài)隱形傳輸，這是國際第一個遠距離自由空間隱形傳態(tài)實驗，實現了四個Bell態(tài)的完全測量和主動幺正變換。這一實驗和基于衛(wèi)星平臺的量子通信實驗研究一起，為真正實現地面與衛(wèi)星間的量子通信實驗積累了相關技術經驗。

2008年，該團隊在上海天文臺對高度為400公里的低軌衛(wèi)星進行了星地量子信道傳輸特性試驗，驗證了星-地量子信道的傳輸特性，首次完成星-地單光子發(fā)射和接收實驗。

2012年至2013年間，該團隊實現了百公里自由空間量子態(tài)隱形傳輸和糾纏分發(fā)，并實現了星地量子通信可行性的全方位地面驗證。這些研究工作通過地基實驗堅實地證明了實現基于衛(wèi)星的全球量子通信網絡和開展空間尺度量子力學基礎檢驗的可行性。

正如習近平總書記2013年7月17日在中國科學院考察工作時發(fā)表的重要講話中指出的：“量子通信已經開始走向實用化，這將從根本上解決通信安全問題，同時將形成新興通信產業(yè)?！?/p>

2013年，千公里光纖量子通信骨干網工程“京滬干線”正式立項，將于2016年下半年建成連接北京、上海，貫穿濟南、合肥等地的千公里級高可信、可擴展、軍民融合的廣域光纖量子通信網絡，建成大尺度量子通信技術驗證、應用研究和應用示范平臺，推動量子通信技術在國防、政務、金融等領域的應用，帶動相關產業(yè)發(fā)展。

中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項“量子科學實驗衛(wèi)星”也將于2016年7月發(fā)射，將在國際上率先實現高速的星地量子通信網絡，初步構建我國的廣域量子通信體系，同時可實現空間尺度量子力學非定域性檢驗，探索對廣義相對論、量子引力等基本理論的實驗檢驗。英國《自然》雜志在其專門報道潘建偉團隊量子通信工作的長篇新聞特稿“量子太空競賽”中指出：“在量子通信領域，中國用了不到十年的時間，由一個不起眼的國家發(fā)展成為現在的世界勁旅；中國將領先于歐洲和北美……”。

量子通信正在經歷著從基礎研究向應用技術轉化的進程。電子信息產業(yè)界的巨型集團，例如IBM、AT&T、Bell實驗室、英國電話電報公司、德國西門子公司等都紛紛投入量子通信的產業(yè)化研究中。未來，隨著量子通信技術的產業(yè)化和廣域量子通信網絡的實現，作為保障未來信息社會通信安全的關鍵技術，量子密碼極有可能會進入千家萬戶，服務于大眾，成為電子政務、電子商務、電子醫(yī)療、生物特征傳輸和智能傳輸系統等各種電子服務的驅動器，為當今這個高度信息化的社會提供基礎的安全服務和最可靠的安全保障。

（編輯：潘妮 余寒靜）