【導(dǎo)讀】量子通信是近二十年發(fā)展起來的新型交叉學(xué)科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。其帶來的高效安全的信息傳輸日益受到人們的關(guān)注，并且基于量子力學(xué)的基本原理，并因此成為國際上量子物理和信息科學(xué)的研究熱點。
去年8月16日，世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空，不到一年的時間，就完成了原定兩年的星地高速量子密鑰分發(fā)、量子糾纏分發(fā)和地星量子隱形傳態(tài)實驗三大科學(xué)目標(biāo)。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團隊，利用“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，在國際上首次成功實現(xiàn)了從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)和從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)。
量子通信又稱量子隱形傳送是指一種無影無蹤的傳送過程。量子通信是由量子態(tài)攜帶信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子糾纏原理實現(xiàn)保密通信過程。量子通信是一種全新通信方式，它傳輸?shù)牟辉偈墙?jīng)典信息而是量子態(tài)攜帶的量子信息，是未來量子通信網(wǎng)絡(luò)的核心要素。
按照常理，信息的傳播需要載體，而量子通信是不需要載體的信息傳遞。從物理學(xué)角度，可以這樣來想象隱形傳送的過程：先提取原物的所有信息，然后將這些信息傳送到接收地點，接收者依據(jù)這些信息，選取與構(gòu)成原物完全相同的基本單元（如：原子），制造出原物完美的復(fù)制品。
量子隱形傳送所傳輸?shù)氖橇孔有畔?，它是量子通信最基本的過程。人們基于這個過程提出了實現(xiàn)量子因特網(wǎng)的構(gòu)想。量子因特網(wǎng)是用量子通道來聯(lián)絡(luò)許多量子處理器，它可以同時實現(xiàn)量子信息的傳輸和處理。相比于經(jīng)典因特網(wǎng)，量子因特網(wǎng)具有安全保密特性，可實現(xiàn)多端的分布計算，有效地降低通信復(fù)雜度等一系列優(yōu)點。
而量子密碼技術(shù)是量子通信的一個重要部分。量子密碼技術(shù)與傳統(tǒng)的密碼系統(tǒng)不同，它依賴于物理學(xué)作為安全模式的關(guān)鍵方面而不是數(shù)學(xué)。實質(zhì)上，量子密碼術(shù)是基于單個光子的應(yīng)用和它們固有的量子屬性開發(fā)的不可破解的密碼系統(tǒng)，因為在不干擾系統(tǒng)的情況下無法測定該系統(tǒng)的量子狀態(tài)。同時量子加密術(shù)在公共的鍵值密碼術(shù)中又是連接鍵值交換的一種相對較容易方便的方式。
量子通信涉及的領(lǐng)域主要有：量子密碼通信、量子遠程傳態(tài)和量子密集編碼等。
量子通信的起源及發(fā)展
最早想到將量子物理用于密碼術(shù)的是美國科學(xué)家威斯納。他于1970年提出，可利用單量子態(tài)制造不可偽造的“電子鈔票”。但這個設(shè)想的實現(xiàn)需要長時間保存單量子態(tài)，不太現(xiàn)實，并沒有被人們接受，但他的研究成果開創(chuàng)了量子密碼的先河。
美國的科學(xué)家貝內(nèi)特和加拿大的科學(xué)家布萊薩德于1984年第一次提出利用量子比特作為信息載體，通信雙方先產(chǎn)生并安全分配量子密鑰，然后用分配好的密鑰，以"一次一密"方式實現(xiàn)安全通信。這就是著名的BB84協(xié)議。
1991年，英國牛津大學(xué)的Ekert提出了一種新的量子密鑰分發(fā)方案。這種方案是通過量子的糾纏態(tài)實現(xiàn)的。其安全性由貝爾不等式來判斷。
1992年貝內(nèi)特對他提出BB-84方案進行了修改，提出了只用兩個非正交態(tài)來實現(xiàn)但是效率減半的方案一B92協(xié)議，不可克隆定理為B92協(xié)議的安全性提供了保證。
1993年英國國防研究部在光纖中用相位編碼的方法實現(xiàn)了 BB84-QKD方案，光纖傳輸長度達到了 10公里。等到1995年，在光纖中的傳輸距離巳經(jīng)達到了30公里。
1993年，美國科學(xué)家貝內(nèi)特等6位科學(xué)家，提出了一種用純量子的方法將一個粒子的量子態(tài)轉(zhuǎn)移的另一個粒子上的辦法，即量子的隱形傳態(tài))技術(shù)。這種方法可以克服了量子信道對量子態(tài)的影響，保障了量子信息的安全性。
奧地利的安東，澤林格小組，于1997年，在實驗室第一次以實驗的形式實現(xiàn)了量子態(tài)隱形傳輸技術(shù)。等到2004年，該小組已經(jīng)把量子隱形傳態(tài)的距離提高到了 600米。
2002年，德國和英國研究機構(gòu)成功利用激光在相距23. 4km的兩座山峰之間傳輸光子密鑰，證實了通過近地衛(wèi)星傳送量子密鑰的可能性。
2004年，美國BNN公司在馬薩諸塞州劍橋城建立了世界首個量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)并投人運行。
2004年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉小組在國際上率先實現(xiàn)了五粒子糾纏態(tài)的制備，并利用五光子糾纏源成功地完成了的量子態(tài)隱形傳輸，首次實現(xiàn)了實時語音量子保密通信。使得在城市范圍的建立量子安全通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)想成為現(xiàn)實。同年，郭光燦研究小組成功實現(xiàn)125km光纖點對點的量子密鑰分配。
2007年，潘建偉小組在世界上首次實現(xiàn)了超過100千米的光纖量子通信實驗。
2008年，歐盟組建的7節(jié)點保密通信演示驗證網(wǎng)絡(luò)試運行成功。
2009年，潘建偉小組實現(xiàn)基于光開關(guān)的主動式線路切換技術(shù)，在合肥建成世界首個可自由擴充的全同型量子通信網(wǎng)絡(luò)，并利用超導(dǎo)單光子探策器將安全通信距離提高到200千米。
2011年在我國舉辦的"十一五"重大科技成果展上，有兩項重要研究成果激起了人們對量子通信技術(shù)的興趣與關(guān)注。它們分別是"實驗實現(xiàn)16公里自由空間量子隱形傳態(tài)"和"光量子信息網(wǎng)"。
2012年8月9日的Nature上刊登了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、彭承志等人對量子態(tài)隱形傳輸?shù)淖钚卵芯砍晒麄冊谇嗪：状纬晒崿F(xiàn)了百公里級的自由空間量子態(tài)隱形傳輸和雙向糾纏分發(fā)。
量子通信基本理論
量子信息中引入了“量子比特”的概念，在量子信息理論中，量子信息的基本單位是量子比特，。從物理學(xué)上說，量子比特就是量子態(tài)，具有量子態(tài)的屬性，因此有很多不同于經(jīng)典比特的特征。量子比特目前還沒有一個明確的定義，其描述是要根據(jù)具體的物理特性來描述的。
現(xiàn)有的經(jīng)典信息以比特作為信息單元，從物理角度講，比特是一個兩態(tài)系統(tǒng),它可以制備為兩個可識別狀態(tài)中的一個，如是或非，真或假，0 或1。電容器平板之間的電壓可表示信息比特，,有電荷代表1，無電荷代表0。
量子比特，是兩個邏輯態(tài)的疊加。經(jīng)典比特可以看成量子比特的特例(c0 = 0或c1 =0)。
量子態(tài)來表示信息是量子信息的出發(fā)點，有關(guān)信息的所有問題都必須采用量子力學(xué)理論來處理，信息的演變遵從薛定諤方程，信息傳輸就是量子態(tài)在量子通道中的傳送，信息處理(計算) 是量子態(tài)的幺正變換，信息提取便是對量子系統(tǒng)實行量子測量。
一個量子比特是一個雙態(tài)量子系統(tǒng)，即兩個線性獨立的態(tài)，常記為：|0>和 |1>。以這兩個獨立態(tài)為基矢，張成一個二維復(fù)矢量空間，即二維Hilbert空間。其任意態(tài)矢Iψ>為一個二進制基本量子比特，以|0>和|1>為二維Hilbert空間的基矢。
在實驗中，任何兩態(tài)的量子系統(tǒng)都可以用來制備量子比特，作為量子態(tài)的載體，常見的有：光子的正交偏振態(tài)、電子或原子核的自旋、原子或量子點的能級、任何量子系統(tǒng)的空間模式等。
信息一旦量子化，量子力學(xué)的特性便成為量子信息的物理基礎(chǔ)，其主要的有：
1、量子糾纏：N (大于1) 個量子比特可以處于量子糾纏態(tài)，子系統(tǒng)的局域狀態(tài)不是相互獨立的，對于一個子系統(tǒng)的測量會獲取另外子系統(tǒng)的狀態(tài)。
2、量子不可克隆：量子力學(xué)的線性特性禁止對任意量子態(tài)實行精確的復(fù)制，量子不可克隆定理和不確定性原理構(gòu)成量子密碼術(shù)的物理基礎(chǔ)。
3、量子疊加性和相干性：量子比特可以處在兩個本征態(tài)的疊加態(tài)上，在對量子比特的操作過程中，兩態(tài)的疊加振幅可以互相干涉，這就是所謂的量子相干性。
量子通信的基本原理
將信息的所有問題都用量子力學(xué)的理論來處理：信息傳輸就是量子態(tài)在量子通道中的傳送，信息處理是量子態(tài)的幺正變換，信息提取便是對量子系統(tǒng)實行量子測量。
量子隱形傳態(tài)即用量子態(tài)作為信息載體，通過量子態(tài)傳送完成大容量信息的傳輸，是一種脫離實物的 “完全”的信息傳送，能夠?qū)崿F(xiàn)原則上的完全保密。量子隱形傳態(tài)和密集編碼是量子通信中比較典型的兩種方式，,前者利用經(jīng)典輔助的方法傳送未知的量子態(tài)，而后者則是利用量子信道傳送用經(jīng)典比特表示的信息。
在科幻電影中，常常出現(xiàn)這樣的場景：一個神秘的人物在某處突然消失,而后卻在異地莫名其妙地顯現(xiàn)出來。隱形傳送(teleportation)一詞即來源于此。遺憾的是，在經(jīng)典通信中，,這種實現(xiàn)隱形傳送的方法違背了量子力學(xué)的基本原理之一——不確定關(guān)系。因此長期以來，這只不過是一種科學(xué)幻想而已。
然而量子通信除了推廣經(jīng)典信息中的信源與信道等概念外,還引入了其特有的量子糾纏(quantum entanglement)，創(chuàng)造了量子隱形傳態(tài)這樣一個經(jīng)典通信中不可思議的奇跡。
1993年Bennett等六位科學(xué)家提出將未知量子態(tài)的信息分為經(jīng)典信息和量子信息兩部分，分別由經(jīng)典信道和量子信道傳送給接受者。經(jīng)典信息是發(fā)送者對原物進行某種測量所獲得，量子信息是發(fā)送者在測量中未提取的其余信息。
如圖所示,假設(shè)發(fā)送者Alice欲將粒子1所處的未知量子態(tài)傳送給接收者Bob，在此之前，兩者之間共享由 Einstein ，Podolsky，Rosen提出的處于最大糾纏態(tài)的兩個粒子組成的對。
Alice對粒子1和她擁有的EPR粒子2實施Bell基聯(lián)合測量(BS)，測量的結(jié)果將出現(xiàn)在四種可能的量子態(tài)當(dāng)中的任意一個，其幾率為1/4，對應(yīng)于Alice不同的測量結(jié)果，Bob的粒子3坍縮到相應(yīng)的量子態(tài)上。因此,當(dāng)Alice經(jīng)由經(jīng)典通道將她的探測結(jié)果告Bob之后，他就可以選擇適當(dāng)?shù)溺壅儞QU粒子3制備到精確復(fù)制態(tài)上。
量子隱形傳態(tài)的特點是僅僅是量子態(tài)被傳送，但粒子3本身不被傳送。而在Alice測量之后，初態(tài)已被破壞，因此這個過程不是量子克隆。
近年來人們又將注意力轉(zhuǎn)向傳送一個未知的糾纏態(tài)，就此提出了一些理論方案。
在量子隱形傳態(tài)中,實現(xiàn)了經(jīng)典信息對量子信息的傳輸。那么，我們是否可以利用量子信道來傳送經(jīng)典信息呢?
假設(shè)Alice和Bob共享處于糾纏態(tài)的一對粒子，從而建立量子通道。Alice 在四種可能的幺正變換中任選一種對其糾纏粒子A進行操作,這種作用實際上是將兩個比特的經(jīng)典信息進行編碼。其后，Alice將粒子A發(fā)送給Bob,Bob通過對兩個粒子進行Bell基聯(lián)合測量，即可確認Alice所做的變換，從而獲得2個比特的信息，,也就是說，僅僅通過傳送一個粒子便能成功地傳送2個比特的經(jīng)典信息。這就是所謂的“密集編碼”。
量子通信系統(tǒng)的組成
量子通信系統(tǒng)的基本部件包括量子態(tài)發(fā)生器、量子通道和量子測量裝置。
該模型包括量子信源、編碼器(量子態(tài)發(fā)生器)、信道(量子通道)、解碼器(量子測量裝置)和量子信宿幾個主要部分。
當(dāng)中：量子信源是消息產(chǎn)生器；量子信宿是消息的接受者；量子編碼器用于把消息變換成量子比特，用量子態(tài)作為消息的載體以傳輸量子信息；量子譯碼器用于把量子信息比特轉(zhuǎn)換成消息；
信道包括量子傳輸信道和輔助信道兩個部分：量子傳輸信道就是傳輸量子信號的通道，輔助信道是指除了傳輸信道和測量信道外的其他附加信道，如經(jīng)典信道，圖中虛線表示。在量子信道可以單獨使用，也可以與經(jīng)典信道結(jié)合起來傳輸量子信息和經(jīng)典信息；量子噪聲是環(huán)境對量子信號影響的等效描述。
在量子通信中，運算對象是量子比特序列，它們不但可以處于各種正交態(tài)的疊加態(tài)上，而且還可以處于糾纏態(tài)上，在基于糾纏光源的量子通信技術(shù)中，信息的載體是糾纏光子對，利用糾纏光子對的光子狀態(tài)相互關(guān)聯(lián)來實現(xiàn)量子通信。
量子密鑰的基本原理
廣泛用于網(wǎng)絡(luò)金融行業(yè)的保密通信系統(tǒng)是一種所謂的RSA公鑰體系，它的安全性基于大數(shù)因式分解這樣一類不易計算的單向函數(shù)，其原理如圖4-1所示。數(shù)學(xué)上雖然沒有嚴(yán)格證明這種密鑰不可破譯，但現(xiàn)有的經(jīng)典計算機幾乎無法完成這種運算。
Short算法證明，采用量子計算機可以輕而易舉地破譯這種公鑰體系。也就是說，一旦量子計算領(lǐng)域獲得重大突破，它所具有的特殊性能，將使現(xiàn)在的公鑰體系徹底地“無密可保”。
另一方面，量子通信是目前科學(xué)界公認的惟一能實現(xiàn)絕對安全的通信方式，它利用量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理和量子不可克隆定理，通過公開信道建立密鑰，當(dāng)事人之外的第三方根本不可能破解其密碼。其最終目標(biāo)是解決通信的絕對安全等經(jīng)典通信所存在的一系列根本性問題。
目前,量子密碼術(shù)的研究引起了人們的廣泛興趣，在理論和實驗方面均取得了重要進展。
目前，量子密碼的方案主要有以下幾種：
1、基于兩種共軛基的四態(tài)方案,其代表為BB84協(xié)議[7]。
2、基于兩個非正交的兩態(tài)方案,如BB92協(xié)議。
3、基于量子糾纏的EPR粒子對方案，稱為E91協(xié)議。
3、基于正交態(tài)的密鑰分配方案,其基礎(chǔ)為正交態(tài)的不可克隆定理。
近年來，人們開始尋求一種嚴(yán)格證明量子密鑰分配(QKD)的安全性的方法，起初的幾種證明方法都不盡如人意,甚至需要用到量子計算機。2000年， Preskill提出了一種簡單的方案，巧妙地將糾纏純化方案和量子糾錯碼(CSS碼)結(jié)合起來，嚴(yán)格地證明了BB84方案的安全性。
量子密鑰分配的第一個演示性實驗由Bennett等人完成。隨后，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室，,創(chuàng)造了目前光纖中量子密碼通信距離的新紀(jì)錄。他們通過先進的電子手段，以B92方案成功地在長達48km的地下光纜中傳送量子密鑰 。自由空間中的QKD也不斷地取得突破，現(xiàn)在達到的傳輸距離為115km。
在上述方案中，量子密鑰是在兩點之間傳輸、建立的，因而都是點對點的傳輸系統(tǒng)。密鑰分配想要實用化，就必須在網(wǎng)絡(luò)中得以實現(xiàn)，能夠進行一點對多點或者任意兩點之間的密鑰傳遞。
網(wǎng)絡(luò)密鑰傳輸有樹狀、環(huán)狀、鏈?zhǔn)降榷喾N結(jié)構(gòu)，這里就其中樹狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)做簡要介紹。
樹狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可以用下面的示意圖(圖4-2)簡單表示，其中S是發(fā)送端，而R1 是其中的一個接收端，O代表光纖分束器。盡管樹狀網(wǎng)中有很多接收端，但是由于量子密鑰中的載體一般情況下都是單粒子態(tài)，,因而他們既不能被分流也不能被克隆。
從發(fā)送端S發(fā)送的一個單粒子只能被其中的一個接收端接收，,這相當(dāng)于發(fā)送者S與這個接收端之間經(jīng)歷了一個點對點的密鑰分配系統(tǒng)。因此,在一系列的數(shù)據(jù)傳輸完成之后，各個單粒子態(tài)分別隨機地被某個接受端接收，最終的效果相當(dāng)于發(fā)送者S與n個接收者之間分別建立一套點對點的密鑰傳輸系統(tǒng),分別建立和分配了一組密鑰序列。建立的方式可以是現(xiàn)存方法中的任何一種。
關(guān)于量子保密通信，依然存在很多問題需要解決，其中包括量子秘密共享、網(wǎng)絡(luò)量子密碼、身份認證、數(shù)字簽名，以及最近提出的量子指紋等。這些方案的優(yōu)越性在理論上已經(jīng)得到證實。
量子密鑰通信系統(tǒng)組成
量子密鑰通信系統(tǒng)包括量子信源、信道和量子信宿三個主要部分，其中信道包括量子傳輸信道、量子測量信道和輔助信道三個部分。圖中的密鑰信道是通信者之間最終將獲得的密鑰對應(yīng)的信道，是量子密鑰分配協(xié)議的最終目標(biāo)，該信道不是量子密鑰分發(fā)過程中的組成部分，圖中用虛線表示。輔助信道是指除了傳輸信道和測量信道外的其它附加信道，如經(jīng)典信道，圖中用虛線表示。
通信中信宿收到的首先是消息，信息不等于消息，但包含在消息之中，因此，信息的特性常常通過消息來研究。一般來說，信源就是信息的來源，不同的信源發(fā)出的消息不同。
若信源輸出的是量子信號，這種信源稱為量子信源。對一個信源的認識通常需要對該信源的數(shù)學(xué)描述、信源的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)以及信源編碼等幾個方面有清晰的了解。
在量子信源方面對這些問題的理解和研究還不深入，很多問題有待進一步研究。參照經(jīng)典信息理論，量子信源可定義為輸出特定量子符號（消息）集的量子系綜。
顯然，一旦指定量子符號集，量子信源具有確定的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，因而可以用一個確定的數(shù)學(xué)方式描述量子信源。需要指出的是，量子信源不等于量子系綜，因為量子系綜包含了更多的物理屬性，而量子信源只是量子系綜物理屬性的一個方面。
信道是量子密鑰分配協(xié)議的重要部分。信道部分包括量子傳輸信道、測量信道和輔助信道三個部分。
所謂量子傳輸信道就是量子信號的實際傳輸路線。量子傳輸信道與經(jīng)典信道類似，信道屬性依賴于信道的輸入和輸出以及描述輸入和輸出之間關(guān)系的條件概率，因此，量子傳輸信道的數(shù)學(xué)描述形式與經(jīng)典傳輸信道的數(shù)學(xué)描述一樣。
但是，量子傳輸信道不同于經(jīng)典傳輸信道，因為量子傳輸信道的特性受到量子物理學(xué)的約束，即信道受發(fā)射信號的量子物理特性的強烈約束，這是由量子物理中不同于經(jīng)典物理的特性所導(dǎo)致的。
量子通信的特點
量子通信與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，具有如下主要特點和優(yōu)勢：
1、具有極高的安全性和保密性，根據(jù)量子不可克隆定理，量子信息一經(jīng)檢測就會產(chǎn)生不可還原的改變，如果量子信息在傳輸中途被竊取，接收者必定能發(fā)現(xiàn)，量子通信沒有電磁輻射，第三方無法進行無線監(jiān)聽或探測；
2、時效性高傳輸速度快，量子通信的線路時延近乎為零，量子信道的信息效率相對于經(jīng)典信道量子的信息效率高幾十倍，并且量子信息傳遞的過程沒有障礙，傳輸速度快；
3、抗干擾性能強，量子通信中的信息傳輸不通過傳統(tǒng)信道，與通信雙方之間的傳播媒介無關(guān)，不受空間環(huán)境的影響，具有完好的抗干擾性能，同等條件下，獲得可靠通信所需的信噪比比傳統(tǒng)通信手段低30～40dB；
4、傳輸能力強，量子通信與傳播媒介無關(guān)，傳輸不會被任何障礙阻隔，量子隱形傳態(tài)通信還能穿越大氣層，既可在太空中通信，又可在海底通信，還可在光纖等介質(zhì)中通信。
量子通信技術(shù)展望
作為信息傳輸安全的解決方案，量子通信成為各國重點攻關(guān)的方向，而我國在這一領(lǐng)域也處于世界領(lǐng)先地位。國信證券研究報告稱，國內(nèi)已準(zhǔn)備將量子通信進行商用。量子通信可能成為繼高鐵、核電外又一張國家“名片”。
目前，量子通信的基本理論和和框架已經(jīng)形成，在單光子、量子探測、量子存儲等量子通信關(guān)鍵技術(shù)獲得發(fā)展和突破條件下，各種理論體系正日趨完善，量子通信技術(shù)已經(jīng)從科研階段逐步進入試點應(yīng)用階段；量子通信的絕對保密性也決定了其在軍事、國防、金融等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，隨著技術(shù)日趨完善和成熟，在未來的大眾商業(yè)市場中，量子通信將具有極大的應(yīng)用潛力。
本文轉(zhuǎn)載自傳感器技術(shù)。
推薦閱讀：
