量子通信前沿深度分析：中國處于世界領(lǐng)先水平

　　量子通信是利用量子糾纏效應(yīng)傳遞信息的通信方式，作為量子論與信息論相結(jié)合的新型通訊方式，以其絕對(duì)的安全性為信息安全帶來了革命式的發(fā)展。海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理和量子不可復(fù)制原理為量子通信的絕對(duì)安全性提供了理論基礎(chǔ)。量子通信按傳輸信道分為量子隱形傳送和量子密碼通信(目前應(yīng)用最成熟)。

　　我國在量子通信領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平，2009年中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉團(tuán)隊(duì)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，標(biāo)志著中國在城域量子網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)方面已經(jīng)達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化要求。

　　量子通信在軍事通信、政府保密通信、民用通信上都將帶來顛覆性的變革，技術(shù)又已相對(duì)成熟，經(jīng)我們?cè)敿?xì)測(cè)算，未來市場(chǎng)空間遠(yuǎn)超千億。國家對(duì)量子通信非常重視，中央政治局常委曾組織集體學(xué)習(xí)量子通信，目前國內(nèi)合肥城域量子通信網(wǎng)、蕪湖市量子政務(wù)網(wǎng)已于2012年建成使用，世界上最遠(yuǎn)距離的光纖量子通信干線京滬線也已近完工，并有望于2016年左右發(fā)射全球首顆量子通信衛(wèi)星。

　　1、量子通信——革命式安全通訊方式

　　1.1量子通信簡(jiǎn)介

　　量子通信是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的新型通訊方式，是量子論和信息論相結(jié)合的成果。量子通信具有絕對(duì)安全和高效率等特點(diǎn)，給信息安全帶來了革命式的發(fā)展，是目前國際量子物理和信息科學(xué)的主要研究方向，主要涉及的領(lǐng)域包括：量子遠(yuǎn)程傳態(tài)量子密碼通信等。目前應(yīng)用發(fā)展相對(duì)成熟的為量子密碼通信。

　　1.2量子通信工作原理

　　量子通信的工作原理為，利用粒子的量子糾纏效應(yīng)，將信息加載在粒子狀態(tài)中，通過傳輸粒子實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的通信。量子通信主要的通信方式包括兩種：直接通過量子態(tài)進(jìn)行量子隱形傳送以及量子密碼通信(目前應(yīng)用最成熟的方式)。

　　l 量子糾纏效應(yīng)

　　量子通信的主要原理為量子糾纏效應(yīng)，即兩個(gè)或多個(gè)量子系統(tǒng)之間的非定域非經(jīng)典的關(guān)聯(lián)，通俗的講，即可以制備兩個(gè)這樣兩個(gè)粒子態(tài)，無論距離多遠(yuǎn)，當(dāng)其中一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，另外一個(gè)粒子的狀態(tài)也會(huì)同時(shí)發(fā)生變化。

　　以笛卡兒、伽利略、牛頓為代表的主流物理學(xué)家認(rèn)為，宇宙的組成部份相互獨(dú)立，它們之間的相互作用受到時(shí)空的限制。而量子糾纏效應(yīng)脫離了時(shí)空，它證實(shí)了任何兩種物質(zhì)之間，不管距離多遠(yuǎn)，都有可能相互影響，不受四維時(shí)空的約束，是非局域的(nonlocal)，它不僅宇宙證實(shí)了愛因斯坦的幽靈——超距作用(spookyactioninadistance)的存在，也證實(shí)了我們中國人一直強(qiáng)調(diào)的因果報(bào)應(yīng)等觀點(diǎn)——任何兩種物質(zhì)在冥冥之中存在深層次的內(nèi)在聯(lián)系。

　　l 量子狀態(tài)信息化

　　量子通信在傳送過程中一般以狀態(tài)來表示信息，早期利用偏振態(tài)較多，目前逐漸轉(zhuǎn)向采用相位狀態(tài)表示信息：1)利用光的偏振對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，在一個(gè)方向上的偏振視為0，而另一個(gè)視為1，常用的有兩種偏振方式，直線型和對(duì)角型;2)利用光子的相位數(shù)據(jù)來進(jìn)行編碼，例如45度，90度，180度等代表0、1、-1。

　　量子通信主要的通信方式包括兩種(可按信道分類)：直接通過量子態(tài)進(jìn)行量子隱形傳送以及量子密碼通信(目前應(yīng)用最成熟的方式)。

　　l 量子隱形傳送

　　量子隱形傳送是一種脫離實(shí)物的信息傳送，原理是通過將某個(gè)粒子的未知量子態(tài)傳送到另一個(gè)地方來傳遞信息，即把另一個(gè)粒子制備到該量子態(tài)上，而原來的粒子仍留在原處。

　　具體而言，首先制備出具備量子糾纏效應(yīng)的光子A和B，分別在甲和乙兩地保存，需要傳遞信息時(shí)，將蘊(yùn)涵相關(guān)信息的光子C與A一起測(cè)量，這樣A的狀態(tài)發(fā)生了改變，B的狀態(tài)也發(fā)生了改變，再用光子D與B做逆測(cè)量，即可得到原來光子C所蘊(yùn)涵的信息。

　　量子隱形傳送由于單子狀態(tài)難以長(zhǎng)時(shí)間保存、光纖信道損耗大、受環(huán)境噪音影響較大等原因，目前為止技術(shù)仍不成熟。

　　l 量子密碼通信

　　由于量子通信具有不可破譯、絕對(duì)安全的特性，它受到了信息安全科學(xué)界的極大重視。在量子隱形傳送現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)困難的背景下，在經(jīng)典通訊中用量子通信技術(shù)進(jìn)行加密通信來保障信息安全成為了當(dāng)前全球量子通信研究的重點(diǎn)，也是目前唯一接近成熟應(yīng)用的量子通信。

　　加密是保障信息安全的重要手段，目前最常用的加密技術(shù)是用復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法來改變?cè)夹畔?mdash;—這種方法雖然安全性較高，但存在被破譯的可能，并非絕對(duì)可靠。而量子密碼術(shù)是主要利用量子狀態(tài)來作為信息加密和解密的密鑰，具有不可破譯性。任何想測(cè)算和破譯密鑰的人，都會(huì)因改變量子狀態(tài)而得到無意義的信息，而信息合法接收者也可以從量子態(tài)的改變而知道密鑰曾被截獲過。

　　通俗地講，量子密碼通信就是甲利用激光收發(fā)器發(fā)射確定狀態(tài)的光子，乙采用濾光器/激光收發(fā)器進(jìn)行接收，保存并記錄光子狀態(tài)，隨后甲和乙互相對(duì)應(yīng)光子的狀態(tài)，以識(shí)別是否被竊聽(由于光子一旦被竊聽測(cè)量，就會(huì)改變狀態(tài)，從而被發(fā)現(xiàn))，從而獲得絕對(duì)安全的密鑰。

　　最初的量子密碼通信利用的都是光子的偏振特性(狀態(tài))，目前主流實(shí)驗(yàn)方案已經(jīng)發(fā)展到利用光子的相位特性進(jìn)行編碼。舉例來說，利用偏振特性時(shí)，乙為了接收正確的信息，必須測(cè)量光子并使用正確的濾光器偏振方向，即信息傳送的偏振方向相同。初始甲發(fā)送密鑰時(shí)，假設(shè)發(fā)射直線型的偏振光子，乙用接收器過略后發(fā)射出的是對(duì)角偏振的光子，然后一個(gè)完全隨機(jī)的結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)在接收器上，一旦中間有竊聽者使用接收器竊聽，結(jié)果就會(huì)發(fā)生改變;使用這種方法，特性信息能夠發(fā)送而使竊聽者無法不被發(fā)現(xiàn)地偷聽。