量子通信

所謂量子通信是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式，是近二十年發展起來的新型交叉學科，是量子論和資訊理論相結合的新的研究領域。

光量子通信主要基於量子糾纏態的理論，使用量子隱形傳態（傳輸）的方式實現信息傳遞。根據實驗驗證，具有糾纏態的兩個粒子無論相距多遠，只要一個發生變化，另外一個也會瞬間發生變化，利用這個特性實現光量子通信的過程如下：事先構建一對具有糾纏態的粒子，將兩個粒子分別放在通信雙方，將具有未知量子態的粒子與發送方的粒子進行聯合測量（一種操作），則接收方的粒子瞬間發生坍塌（變化），坍塌（變化）為某種狀態，這個狀態與發送方的粒子坍塌（變化）后的狀態是對稱的，然後將聯合測量的信息通過經典通道傳送給接收方，接收方根據接收到的信息對坍塌的粒子進行幺正變換（相當於逆轉變換），即可得到與發送方完全相同的未知量子態。

經典通信較光量子通信相比，其安全性和高效性都無法與之相提並論。安全性-量子通信絕不會“泄密”，其一體現在量子加密的密鑰是隨機的，即使被竊取者截獲，也無法得到正確的密鑰，因此無法破解信息；其二，分別在通信雙方手中具有糾纏態的2個粒子，其中一個粒子的量子態發生變化，另外一方的量子態就會隨之立刻變化，並且根據量子理論，宏觀的任何觀察和干擾，都會立刻改變數子態，引起其坍塌，因此竊取者由於干擾而得到的信息已經破壞，並非原有信息。高效，被傳輸的未知量子態在被測量之前會處於糾纏態，即同時代表多個狀態，例如一個量子態可以同時表示0和1兩個數字， 7個這樣的量子態就可以同時表示128個狀態或128個數字：0~127。光量子通信的這樣一次傳輸，就相當於經典通信方式的128次。可以想象如果傳輸帶寬是64位或者更高，那麼效率之差將是驚人的。

量子通信從理論上的定義而言，並沒有一個非常嚴格的標準。在物理學中可以將其看作是一個物理極限，通過量子效應就能實現高性能的通信。而在信息學中，量子通信是通過量子力學原理中特有的屬性，來完成相應的信息傳遞工作。量子通信同傳統的通信方式相比較，有一些比較突出的特點，例如安全性比較高，還有就是傳輸的過程中不容易受到阻礙。當量子態在不被破壞的情況下，在傳輸信息的過程中是不會被竊聽，也不會被複制的，所以嚴格意義上來看，它是絕對安全的。而在無障礙的傳輸中，兩個分離的量子，無論分離得有多遠，當一個量子變化的時候，另一個也會產生相應的變化。

根據應用途徑，量子通信可分為：量子密碼通信、量子遠程傳態和量子密集編碼等。按其所傳輸的信息內容分為是經典通信和量子通信而分為兩類。前者主要傳輸量子密鑰，後者則可用於量子隱形傳態和量子糾纏的分發。

量子通信具有很多特點，其中與傳統的通信方式相較，量子通信最大的優勢就是絕對安全和高效率性，首先傳統通信方式在安全性方面就有很多缺陷，量子通信會將信息進行加密傳輸，在這個過程中密鑰不是一定的，充滿隨機性，即使被相關人員截獲，也不容易獲取真實信息，另外量子通信還有較強的抗干擾能力、很好的隱蔽性能、較低的噪音比需要以及廣泛應用的可能性。

一是為了進行遠距離的量子態隱形傳輸，必須要讓通信的兩地同時具有最大量子糾纏態。但是，由於環境噪聲的影響，量子糾纏態的品質會隨著傳送距離的增大而變得越來越差。因此，如何提純高品質的量子糾纏態是此刻量子通信研究中的重要課題。

二是如何實現量子信號的中繼轉發，取得令人滿意的遠距離通信效果。到目前為止，業界在光源、通道節點和接收機等方面還沒有取得圓滿成功，所需的安全性要求沒有保障，可能被竊聽。如何對實際量子密鑰分發系統進行攻防測試和安全性升級是運行維護面臨的難題。

三是因為中繼節點的密鑰存儲和轉發存在漏洞，可能成為整個系統的安全風險點。如何解決糾纏態對通道長度抖動過於敏感、誤碼率隨通道長度增長過快等嚴重問題，也是一個令人頭疼的問題。

量子通信具有傳統通信方式所不具備的絕對安全特性，不但在國家安全、金融等信息安全領域有著重大的應用價值和前景，而且逐漸走進人們的日常生活。

為了讓量子通信從理論走到現實，從上世紀90年代開始，國內外科學家做了大量的研究工作。自1993年美國IBM的研究人員提出量子通信理論以來，美國國家科學基金會和國防高級研究計劃局都對此項目進行了深入的研究，歐盟在1999年集中國際力量致力於量子通信的研究，研究項目多達12個，日本郵政省把量子通信作為21世紀的戰略項目。我國從上世紀80年代開始從事量子光學領域的研究，近幾年來，中國科學技術大學的量子研究小組在量子通信方面取得了突出的成績。

2003年，韓國、中國、加拿大等國學者提出了誘騙態量子密碼理論方案，徹底解決了真實系統和現有技術條件下量子通信的安全速率隨距離增加而嚴重下降的問題。

2006年夏，我國中國科學技術大學教授潘建偉小組、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室、歐洲慕尼黑大學—維也納大學聯合研究小組各自獨立實現了誘騙態方案，同時實現了超過100公里的誘騙態量子密鑰分發實驗，由此打開了量子通信走嚮應用的大門。

2008年底，潘建偉的科研團隊成功研製了基於誘騙態的光纖量子通信原型系統，在合肥成功組建了世界上首個3節點鏈狀光量子電話網，成為國際上報道的絕對安全的實用化量子通信網路實驗研究的兩個團隊之一（另一小組為歐洲聯合實驗團隊）。

2009年9月，潘建偉的科研團隊正是在3節點鏈狀光量子電話網的基礎上，建成了世界上首個全通型量子通信網路，首次實現了實時語音量子保密通信。這一成果在同類產品中位居國際先進水平，標誌著中國在城域量子網路關鍵技術方面已經達到了產業化要求。

全通型量子通信網路是一個5節點的星型量子通信網路，克服了量子信號在商用光纖上傳輸的不穩定性是量子保密通信技術實用化的主要技術障礙，首次實現了兩兩用戶間同時進行通信，互不影響。該網路用戶間的距離可達20公里，可以覆蓋一個中型城市；容納了互聯互通和可信中繼兩種重要的量子通信組網方式，並實現了上級用戶對下級用戶的通信授權管理。

該成果首次全面展示和檢驗了量子通信系統組網和擴展的能力，標誌著大規模可擴展網路量子通信技術的成熟，將量子通信實用化和產業化進程又向前推進了一大步。據稱，潘建偉團隊將與中國電子科技集團公司第38研究所等機構合作，在合肥市及周邊地區啟動建設一個40節點量子通信網路示範工程，為量子通信的大規模應用積累工程經驗。

量子通信技術發展成熟后，將廣泛地應用于軍事保密通信及政府機關、軍工企業、金融、科研院所和其他需要高保密通信的場合。量子通信未來有以下幾個發展方向：

(1)採用量子中繼技術，擴大通信距離。

這方面以中國的“京滬幹線”項目為代表。由於單光子在傳輸過程中損耗很大，對於遠距離傳輸，必須採用中繼技術。然而量子態的非克隆原理給量子中繼出了很大難題，因為量子態不可複製，所以量子中繼不能像普通的信號中繼一樣，把弱信號接收放大后再轉發出去。量子中繼只能是在光子到達最遠傳輸距離之前接收其信號，先存儲起來，再讀出這個信號，最後以單光子形式發送出去。量子中繼很像火炬接力，一個火炬在燃料耗盡之前點燃另一個火炬，這樣持續傳送下去，不能一次同時點燃多個火炬。量子中繼有很多方案，包括光量子方案、固態原子方案等。

(2)採用星地通信方式，實現遠程傳輸。

採用衛星通信后，兩地之間的量子通信更加方便快捷。在真空環境中，光子基本無損耗，損耗主要發生在距地面較低的大氣中。據測算，只要在地面大氣中能通信十幾千米，星地之問通信就沒有問題。中國學者曾經在北京與懷柔之間成功地進行夜晚十幾千米的單光子傳輸實驗，為星地量子通信奠定了堅實的實驗基礎。

(3)建立量子通信網路，實現多地相互通信。

量子通信要想實用化，必須覆蓋多地形成網路。2009年，郭光燦小組在安徽蕪湖建立了世界首個量子政務網，標誌著中國量子保密通信正式進入應用階段。目前，國內外都建成了多個實用的量子通信網路，下一步的發展是擴大節點數，擴展通信距離，形成大覆蓋面積的廣域網。

2005年，中國科技大學合肥微尺度物質科學國家實驗室潘建偉教授和他的同事楊濤、彭承志等通過“自由空間糾纏光子的分發”實驗，

2006年，中國科技大學合肥微尺度物質科學國家實驗室在光纖通信中實現了一種抗干擾的量子密碼分配方案，保證了長距離光纖量子通信的安全和質量。這一成果日前發表在剛剛出版的國際物理學權威期刊《物理評論快報》上。“非常出色的”、“具有特殊的價值”，是該雜誌審稿人對這一成果的評價。 

2008年，在“量子調控研究”重大科學研究計劃等的支持下，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室（籌）潘建偉教授領導的研究小組完成了“量子中繼器的實驗實現”，研究成果於8月28日發表在《自然》上。他們利用冷原子量子存儲技術在國際上首次實現了具有存儲和讀出功能的糾纏交換，建立了由300米光纖連接的兩個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並轉化為光子糾纏以進行進一步的傳輸和量子操作。該實驗成果實現了長程量子通信中亟須的“量子中繼器”，向未來廣域量子通信網路的最終實現邁出了堅實的一步。 由於該項研究工作的重要意義，《自然》雜誌專門發布了題為“量子推動 (Quantum Boost)”的新聞稿，稱讚該工作“掃除了量子通信中的一大絆腳石”。 

2012年，潘建偉等人在國際上首次成功實現百公里量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發，為發射全球首顆“量子通訊衛星”奠定技術基礎。國際權威學術期刊《自然》雜誌8月9日重點介紹了該成果。“在高損耗的地面成功傳輸100公里，意味著在低損耗的太空傳輸距離將可以達到1000公里以上，基本上解決量子通訊衛星的遠距離信息傳輸問題。”研究組成員彭承志介紹說，量子通訊衛星核心技術的突破，也表明未來構建全球量子通信網路具備技術可行性。8月9日，國際權威學術期刊《自然》雜誌重點介紹了這一成果，代表其獲得了國際學術界的普遍認可。《自然》雜誌稱其“有望成為遠距離量子通信的里程碑”、“通向全球化量子網路”，歐洲物理學會網站、美國《科學新聞》雜誌等也進行了專題報道。

2015年3月6日，國際權威物理學期刊《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 114, 090501 (2015)] 發表中國科學技術大學多方量子通信方案，該方案在實用化、遠距離多方量子通信方面邁出了重要的一步。多方量子通信旨在為多用戶保密通信提供基於量子力學原理的安全性。此前最遠的三光子糾纏態實驗分發距離僅為1公里[Nat. Photonics 8, 292 (2014)]，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室量子物理與信息研究部研究組結合誘騙態和測量設備無關的量子密鑰分發技術，提出了一個可以在百公里量級分發后選擇多光子糾纏態並進行多方量子通信的實用化方案。 

2018年9月，在國家重點研發計劃量子調控與量子信息重點專項項目“固態量子存儲器”的支持下，中國科學技術大學李傳鋒團隊在自主研製的高品質三維糾纏源的基礎上，進一步製備出偏振-路徑複合的四維糾纏源，保真度達到98%。利用這種四維糾纏源首次成功識別了五類貝爾態，並實驗演示了量子密集編碼，一舉把量子密集編碼的通道容量紀錄提升到了2.09，超過了兩維糾纏能達到的理論極限，創造了當前國際最高水平。這項工作充分展示了高維糾纏在量子通信中的優勢，為高維糾纏在量子信息領域的深入研究打下重要基礎。該成果於7月20日發表在國際權威期刊《科學·進展》上。 

2021年1月7日，中國科學技術大學宣布中國科研團隊成功實現了跨越4600公里的星地量子密鑰分發，標誌著我國已構建出天地一體化廣域量子通信網雛形 。

1984~1992年，第一個量子密碼通信方案提出，即著名的BB84方案。 簡化的 BB84方案提出。並第一次在實驗上原理性演示了量子密鑰分發 。 

1993~2005年，量子密鑰分發演示性實驗實現100公里以上通信距離，但安全通信距離只有10公 里量級，不具 有實用價值 。 

2006~2010年，美國 Los Alamos國家實驗室 一美國國家標準局聯合實驗組和奧地利的 Zeilinger教授領導的歐 洲聯合實驗室也使用誘騙態方案實現了安全距離超過100公里量子密鑰分發，量子通信得以從實驗室演示開始走向實 用化 。 

2013年，美國獨立研究機構Battelle公布了環美量子通信骨幹網路項目。計劃採用分段量子密鑰分發，結合安全授信節點進行密碼中繼的方式為谷歌、微軟、 亞馬遜等網際網路巨頭的數據中心之間的通信提供量子安全保障服務。

2008年發布了《量子信息處理與通信戰略報告》，提出了歐洲量子通信的分階段發展目標，包括實現地面量子通信網路、星地量子通信、空地一體的千公里級量子通信網路等。 

2008年9月，歐盟發布了關於量子密碼的商業白 皮書。啟動量子通信技術標準化研究，並聯合了來自12個歐盟國41個夥伴小組成立了 “ 基於量子 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後有一大規模的國際科技 合作項目。同年，該工程在維也納現場演示了一個基於商業網路的包含 6個節點的量子通信網路。歐空局正在與來自歐洲、美洲、澳大利亞和日本的多國科學家團隊合作開展空間量子實驗，由國際著 名量子物理家、沃爾夫物理學獎獲得者奧地利的Anton Zeilinger教授領銜，計劃在國際空間站與地面站之間實現遠距離量子通信。 

提出量子信息技術長期研究戰略，目標年投入2億 美元，規劃在5~10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年建威極限容量、無條件安全 的廣域光纖與自由空間量子通信網路。2010年。日本 NICT主導，聯合當時歐洲和日本在量子通 信技術上開發水平最高的公司和研究機構，在東 京建成了6節點城域量子通信網路 “ Tokyo QKD Netword”。東京網在全網演示了視頻通話。並演示網路監控。 

美國國防部支持的“ 高級研究與發展活動”(ARDA)計劃到 2014年將量子通信應用拓展到衛星通信、城域以及遠距離光纖網路。國防部高級計劃署 (DARPA)和 Los Alamos國家實驗室於 2009年分別建成了2個多節點量子通信網際網路路，並與空軍合作進行了基於飛機平台的自由空間量子通信研究。 

美國航空航天局 (NASA)正計劃在其總部與噴 氣推進實驗室 (JPL)之間建立一個直線距離 60 公里、光纖皮長1 000公里左右的包含10個骨幹節點的遠距離光纖通信幹線，計劃拓展到星地通信量子。 

2010年7月，合肥城域量子通信試驗示範網正式開工實施。合肥市政府將其作為重大標誌性科技工程列為全市自主創新重大專項，省發改委及省科技廳、合肥市共支持經費6000多萬元，努力建成國內“首個開工、首個建成、首個使用”的規模化城域量子通信網路，為合肥市進一步提升戰略性新興產業核心競爭力，搶佔未來量子通信產業發展制高點發揮重要作用。 

2012年 2月21日，金融信息量子通信驗證網在北京開通。金融信息量子通信驗證網的開通，是量子通信網路技術保障金融信息傳輸安全的第一次技術驗證和典型應用示範，對加快建設國家級金融信息量子通信網、大力提升我國金融信息傳遞的安全性和便捷性，具有十分重要的意義。 

2013年11月，濟南量子保密通信試驗網建成投入使用，山東省50個省直機關事業單位、金融機構實現了語音電話、傳真、文本通信和文件傳輸等量子保密傳輸業務，這是我國第一套實用化的大型量子通信城域網，也是世界上規模最大、功能最全的量子保密通信試驗網路。 濟南量子通信試驗網的建成，標誌著量子通信技術在山東省開始步入實用化階段，有利於促進量子通信產業鏈的形成，為量子通信技術在山東省產業化奠定了基礎。