淺析量子通信及其應(yīng)用前景

邵春燕　陳莉

由于以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)應(yīng)用即將達(dá)到物理極限，以量子效應(yīng)為基礎(chǔ)的量子通信具有高效率和絕對(duì)安全等特點(diǎn)，是近二十年來國際上量子物理和信息科學(xué)的研究熱點(diǎn)，其應(yīng)用方面前景廣闊。

1.量子通信的基本原理及發(fā)展

量子是對(duì)原子、電子、光子等物質(zhì)基本單元的統(tǒng)稱。量子通信（Quantum Teleportation）是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通信方式，是量子論和信息論相結(jié)合的新研究領(lǐng)域。量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等。

1.1量子通信的起源

量子通信起源于19世紀(jì)20年代的“量子糾纏”。在量子力學(xué)中，有共同來源的兩個(gè)微觀粒子之間存在著某種糾纏關(guān)系，不管它們被分開多遠(yuǎn)，只要一個(gè)粒子發(fā)生變化，就能立即影響到另外一個(gè)粒子，即兩個(gè)處于糾纏態(tài)的粒子無論相距多遠(yuǎn)，都能“感知”和影響對(duì)方的狀態(tài)，類似于人類的“心靈感應(yīng)”。值得一提的是，盡管愛因斯坦最早注意到微觀世界中這一現(xiàn)象的存在，卻不愿意接受它，并把它斥之為“幽靈般的超距作用（spooky action at a distance）”，認(rèn)為在量子力學(xué)的詮釋背后一定有著更根本的規(guī)律，它們才能正確、全面地解釋量子現(xiàn)象。

1.2量子通信的雛形

量子通信的概念是美國科學(xué)家貝內(nèi)特（C.H.Bennett）于1993年提出，即是由量子態(tài)攜帶信息的通信方式，利用光子等基本粒子的量子糾纏原理實(shí)現(xiàn)保密通信過程。量子通信的概念提出后，有6位來自不同國家的科學(xué)家基于量子糾纏理論，提出了利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)絡(luò)等傳統(tǒng)信道與量子糾纏技術(shù)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)量子隱形傳送的方案，即將某個(gè)粒子的未知量子態(tài)傳送到另一個(gè)地方，把另一個(gè)粒子制備到該量子態(tài)上，而原來的粒子仍留在原處，這就是量子通信最初的基本方案。量子隱形傳態(tài)不僅在物理學(xué)領(lǐng)域?qū)θ藗冋J(rèn)識(shí)與揭示自然界的神秘規(guī)律具有重要意義，而且可以用量子態(tài)作為信息載體，通過量子態(tài)的傳送完成大容量信息的傳輸，實(shí)現(xiàn)原則上不可破譯的量子保密通信。

1.3量子通信的現(xiàn)狀

目前對(duì)量子通信的理論方案和實(shí)驗(yàn)研究，主要集中于利用光纖信道和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的陸地?zé)o線光信道。在標(biāo)準(zhǔn)光纖信道中，2007年6月，一個(gè)由奧地利、英國、德國研究人員組成的小組，在量子通信研究中創(chuàng)造了通信距離144公里的紀(jì)錄。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信上，2008年，在《新物理學(xué)》（New Journal of Physics）雜志上，一支意大利和奧地利科學(xué)家小組宣布，他們首次識(shí)別出從地球上空1500公里處的人造衛(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。在多點(diǎn)通信上，2009年9月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)，建成了3節(jié)點(diǎn)鏈狀16公里的自由空間量子信道，并在此基礎(chǔ)上建成了世界上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，首次實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)語音量子保密通信，在23km的自由空間信道中，實(shí)現(xiàn)了基于單光子的量子密鑰分配；在600m的自由空間中實(shí)現(xiàn)了基于糾纏光子對(duì)的量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)。如果按照這種速度發(fā)展下去，量子通信預(yù)計(jì)在2020年之前就可以進(jìn)入實(shí)用。

2.量子通信的主要特點(diǎn)

量子通信與成熟的傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，具有以下主要特點(diǎn)：一是保密性強(qiáng)。量子密碼通信其實(shí)不在于密碼通信本身，量子密碼技術(shù)不是用于傳輸密文，而是用于建立傳輸密碼本。根據(jù)海森伯不確定性原理和量子不可克隆的特點(diǎn)，信息的量子比特或量子位一經(jīng)檢測(cè)，就會(huì)產(chǎn)生不可還原的改變，用量子位傳遞加密信息，若在到達(dá)預(yù)定接收者途中被竊取，預(yù)定接收者肯定能夠發(fā)現(xiàn)。再加上量子通信采用的是“一次一密”的加密方式，且絕對(duì)不會(huì)重復(fù)使用，確保了通信的保密安全。

二是隱蔽性高。量子通信利用單量子糾纏現(xiàn)象，使光子、電子甚至是原子之間能相互影響（制約），從而傳遞信息。當(dāng)其中的一個(gè)量子發(fā)送信息時(shí)，它本身并不移動(dòng)，也不用借助其他媒介，另一個(gè)相關(guān)量子自然會(huì)接收到這個(gè)信息，空間距離和中間介質(zhì)將不再成為通信的障礙。由于量子通信過程不存在任何電磁輻射，無論現(xiàn)有的無線電探測(cè)系統(tǒng)性能如何先進(jìn)，對(duì)量子通信這種完全無“電磁”的通信目標(biāo)，也是無能為力的。

三是應(yīng)用性廣。由于量子通信過程與傳播媒質(zhì)無關(guān)，傳遞的過程不會(huì)被任何障礙阻隔，甚至量子隱形傳態(tài)過程中可穿越大氣層，所以說量子通信的應(yīng)用非常廣泛，它既可以在太空中進(jìn)行通信，又可以在海底等惡劣條件下通信，還可以在光纖等介質(zhì)中進(jìn)行信息“傳遞”。應(yīng)用到衛(wèi)星通信、深海通信、太空通信和光纖通信等領(lǐng)域的前景廣闊。

四是時(shí)效性高。由于量子通信時(shí)延為零，可以實(shí)現(xiàn)超光速通信，將極大地提高通信速度；量子通信具有空間遠(yuǎn)距離、大容量、易組網(wǎng)等特點(diǎn)，可以用來構(gòu)筑高速、大容量的通信網(wǎng)絡(luò)，用于高清晰度圖像、大容量、超高速數(shù)據(jù)的傳輸，便于建立量子因特網(wǎng)。

3.量子通信的應(yīng)用前景

3.1建立全新衛(wèi)星通信網(wǎng)

由于單光子在現(xiàn)在的硅光纖和陸上自由空間中的傳輸距離受到了限制，使量子通信的距離目前只有百余公里，無法實(shí)現(xiàn)全球范圍意義上的量子通信?，F(xiàn)在已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的衛(wèi)星通信和空間技術(shù)，給全球范圍的量子通信提供了一種新的解決方案。即可以通過量子存儲(chǔ)技術(shù)與量子糾纏交換和純化技術(shù)的結(jié)合，做成量子中繼器，突破光纖和陸上自由空間鏈路通信距離短的限制，延伸量子通信距離，實(shí)現(xiàn)真正意義上的全球量子通信。

3.2構(gòu)建超光速信息網(wǎng)絡(luò)

隨著量子通信技術(shù)的研究突破和日趨成熟，可以利用量子隱形傳態(tài)以及超大信道容量、超高通信速率和信息高效率等特點(diǎn)，建立有特殊需求的超光速量子通信網(wǎng)絡(luò)。利用量子通信網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)大容量、高速率信息傳輸處理及按需共享，滿足信息綜合分析及輔助決策的需求。

3.3用于深海通信

目前岸基與深海之間的通信是采用長波通信方式，不僅系統(tǒng)龐大、設(shè)備造價(jià)高、抗毀性差，而且僅能實(shí)現(xiàn)海水下百米左右的通信。量子通信不同于傳統(tǒng)的“波”通信，在同等條件下，量子通信獲得可靠通信所需的信噪比，要比其他現(xiàn)有通信手段低30～40dB，加之量子通信的光量子隱形傳態(tài)與傳播媒質(zhì)無關(guān)，這為深海通信開辟了一條嶄新的途徑。

3.4用于隱蔽保密通信網(wǎng)

通信隱身的關(guān)鍵之一是要降低電磁輻射，而目前的無線電通信都要依靠電磁波傳輸信號(hào)，特別是遠(yuǎn)程無線電通信需要輻射很強(qiáng)的電磁波，即使是激光通信，也要輻射很強(qiáng)的光波，而量子通信既無電磁波輻射，也無強(qiáng)光波輻射，且采用“一次一密”的加密方式，密碼具有“不可破特性”和“竊聽可知性”，從而確保了信息傳輸?shù)陌踩岣吡诵畔⒈Ｗo(hù)和信息對(duì)抗能力。

3.5生成和分發(fā)通信密鑰

量子通信技術(shù)的最大特點(diǎn)是具有完全安全性，是傳統(tǒng)加密通信無法實(shí)現(xiàn)的。由于量子密鑰是一套隨機(jī)數(shù)列，且密鑰的載體是量子態(tài)的粒子，所以不能被半路偵測(cè)（測(cè)不準(zhǔn)原理）?？梢酝ㄟ^天基平臺(tái)部署量子通信密鑰生成與分發(fā)系統(tǒng)，向任意用戶分發(fā)量子密鑰，從而構(gòu)成安全可靠的通信網(wǎng)絡(luò)。