安全高效的量子通信及其发展

合肥市科技情报研究所 | 古丽萍

量子通信不仅在理论上取得了很大的进步，在技术研究和产品研制方面也获得了快速的发展，业界已研制出较为成熟的单光子探测器、量子密钥分发产品、纠缠源、量子随即数发生器、量子数据加密系统等，量子通信将逐渐步入实用化阶段。

量子通信是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信方式。从物理学的角度，量子是不可分的最小能量单位。在量子力学中，这种微观粒子的运动状态，称为量子态。量子纠缠是指微观世界里，有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系，两个处于纠缠状态的粒子无论相距多远，都能“感应”对方状态。量子通信是在物理极限下，利用量子效应实现的高性能通信方式，主要涉及量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。量子通信是经典信息论和量子力学相结合的一门新兴交叉学科，按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类，前者主要用于量子密钥的传输，后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。

量子通信在通信安全性、计算能力、信息传输通道容量、测量精度等方面突破经典技术极限，与目前成熟的传统通信技术相比，具有绝对安全性、超大信道容量、超高通信速率、远距离传输和信息高效率等特点。量子通信网络包括传输平面、控制平面和管理平面。传输平面主要由光传输链路和量子交换模块组成，传输链路包括光钎、分束器、光复用器和解复用器等设备。控制平面是量子通信网络的核心部分，主要功能包括：信令传输、呼叫连接控制、链路资源管理、路由管理、用户接口等。管理平面由量子通信网络各个节点的管理层组成，实现管理功能分布化。当两个用户需要进行通信时，管理平面向控制平面发送通信请求消息，控制平面根据通信需求和传输平面的拓扑信息等寻找路由，并将控制消息传送给传输平面，在通信双方之间建立端到端的物理连接。在通信安全性方面，量子通信技术的信息安全基于量子密码学，以量子状态作为密钥突破了传统加密方法的束缚，具有不可窃听、不可复制性和理论上的“无条件安全性”。任何截获或测试量子密钥的操作，都会改变量子状态，量子通信确保两地之间密匙分配和通信的绝对安全性，是安全保密通信。

量子通信成各国竞争焦点

量子通信在军事、国防、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景，不仅可用于军事、国防等领域的国家级保密通信，还可用于涉及秘密数据、票据的政府、电信、证券、保险、银行、工商、地税、财政等领域和部门。在国防和军事领域，量子通信能够应用于通信密钥生成与分发系统，向未来战场覆盖区域内任意两个用户分发量子密钥，构成作战区域内机动的安全军事通信网络；能够应用于信息对抗，改进军用光网信息传输保密性，提高信息保护和信息对抗能力；能够应用于深海安全通信，为远洋深海安全通信开辟了崭新途径；利用量子隐形传态以及量子通信绝对安全性、超大信道容量、超高通信速率、远距离传输和信息高效率等特点，建立满足军事特殊需求的军事信息网络，为国防和军事赢得先机。在国民经济领域和部门，量子通信可用于金融机构的隐匿通信等工程以及对电网、煤气管网和自来水管网等重要基础设施的监视和通信保障，促进国民经济的发展。

量子通信技术已成为当今世界发达国家激烈竞争的焦点和热点，世界各国政府、国防部门、科技界和信息产业界的高度重视。量子通信与国家安全紧密相连，美国、日本、欧洲等国均投入大量人力物力致力于量子通信的研究，积极推广应用量子通信技术。量子信息被美国列为《保持国家竞争力》计划的重点支持课题；美国的量子信息和计算研究所为美国军队研究部门所管理，隶属于美国国防部高级研究计划司超大规模计算工程；美国的国家标准和技术研究所（NIST）将量子信息作为三个重点研究方向之一；美国的加州理工大学、麻省理工学院和南加州大学联合成立了量子信息和计算研究所；LosAlamos国家实验室正在研究量子局域网的密码体系和自由空间量子密码；美国白宫和五角大楼安装了量子通信系统，并已投入使用。日本提出以新一代量子信息通信技术为对象的长期研究战略，计划在2020年至2030年间，建成绝对安全保密的高速量子信息通信网，以实现通信技术质的飞跃，日本邮政省把量子通信作为21世纪的战略项目，以十年的中长期目标进行研究。欧盟在其《欧洲研究与发展框架规划》中提出用于发展量子信息技术的《欧洲量子科学技术》计划以及《欧洲量子信息处理与通信》计划，欧洲成立了包括英国、法国、德国、意大利、奥地利和西班牙等国在内的量子信息物理学研究网，这是继欧洲核子中心和航天技术国际合作之后，又一针对科技重大问题的大规模国际合作，主要研究量子通信、量子计算和量子信息科学。全球信息产业界国际巨头IBM、Philips、at&t、Bell实验室、HP、西门子NEC、日立、三菱、ntt docomo等对量子通信技术投入大量研发资本，开展量子通信技术的研发和产业化。

量子通信在网络传输安全方面具备绝对安全性。

中国量子通信研发进展

在中国，科技部、国家自然科学基金委员会、中国科学院等部门高度重视和大力支持量子通信。通过各种重大项目的实施，中国已经在量子信息研究方面做出了一批具有国际水平的成果，相关研究团体已经在国际上享有一定的影响力。近年来，中国科学家一直在刷新量子传输的距离纪录，中国量子通信研究居于世界领先地位，目前已经率先达到应用阶段水平。中国科学技术大学、清华大学、中国科学院物理所、半导体所、武汉物理与数学研究所、北京师范大学、华南师范大学、华东师范大学、山西大学、西安大学、西安电子科技大学、北京邮电大学等单位已经取得了一些重要的研究成果。

1995年，中国科学院物理研究所用量子密码BB84方案做了演示性实验，华东师范大学在距离较短的自由空间里用B92方案做了实验。2000年，中国科学院物理研究所与研究生院合作，在850纳米的单模光纤中完成了1.1公里的量子密码通信演示性实验。2003年，中国科技大学潘建伟领导的量子物理与量子信息实验室成功实现了量子纠缠态的浓缩，并利用这一技术首次实现了四光子纠缠光源的量子中继器。2004年，中国科技大学郭光灿领导的研究小组在北京与天津之间成功实现了125公里光纤的点对点的量子密钥分配，验证了误码设计的正确性，解决了量子密码系统的稳定性问题。2005年，中国科大与清华大学联合小组在合肥创造了13公里的自由空间双向量子纠缠分发世界纪录，同时验证了在外层空间与地球之间分发纠缠光子的可行性。2006年，中国潘建伟小组实现了诱骗态方案，同时实现了超过100公里的量子保密通信实验。

2007年，中国科技大学潘建伟研究小组通过实验成功制备出国际上纠缠光子数最多的薛定谔猫态和可以直接用于量子计算的簇态，实现六光子薛定谔猫态。2007年3月，中国科技大学郭光灿领导的中科院量子信息重点实验室，利用自主创新的量子路由器，在北京网通公司商用通信网络上完成了四用户量子密码通信网络的测试运行，并确保了网络通信的安全。2007年，中国科大与清华大学联合小组在北京八达岭与河北怀来之间架设长达16公里的自由空间量子信道，并取得了一系列关键技术突破。2008年，中国科技大学潘建伟及其同事，利用冷原子量子存储技术在国际上首次实现了具有存储和读出功能的纠缠交换，建立了由300米光纤连接的两个冷原子系综之间的量子纠缠。2008年年底，潘建伟团队在商业光纤网络的基础上，成功研制了基于诱骗态的光纤量子通信原型系统。

2009年5月，潘建伟团队在合肥成功组建了世界上首个3节点链状光量子电话网。2009年5月，中国科学技术大学郭光灿研究团队建设的“量子政务网”在安徽芜湖建成，并投入试运行。量子政务网采用中国具有全部知识产权的单向量子保密通信方案和设备，以及量子保密通信网络核心组网技术，标志着中国量子保密通信技术已经正式步入应用轨道。2009年，中国科大与清华大学联合小组成功实现了世界上最远距离的量子态隐形传输，证实了量子态隐形传输穿越大气层的可行性，为未来基于卫星中继的全球化量子通信网奠定了可靠基础。2009年8月，中科大潘建伟科研团队在合肥成功组建了一个可升级的5节点星型量子通信网络，构建了全球首个全通型量子通信网络，实现了实时语音量子保密通信，将在合肥市及其周边建设一个40节点量子通信网络示范工程。2009年11月，山东省在山东信息通信研究院内组建了山东量子科学技术研究院，力争通过3~5年的努力，将山东打造为中国乃至世界的量子通信技术产业基地。2009年11月，中国科技大学牵手安徽省皖能集团和铜陵润丰集团，合资成立安徽量子通讯技术有限公司。

2010年6月，由中国科学技术大学和清华大学组成的联合小组，成功实现了16公里的量子态隐形传输，16公里的传输距离比原世界纪录提高了20多倍。2010年6月，山东省投资5600万元启动建设山东量子技术研发平台，投资1.22亿元建设山东量子通信试验网工程。山东量子通信试验网第一期工程为期两年，将在济南市搭建40~50个用户的量子保密通信试验网，项目第一阶段的城域网建设完成后，项目二期工程将展开基于超导技术的量子城际网的建设，进一步将量子通信的应用推向实用化。2010年7月，“合肥城域量子通信试验示范网”项目开工。2011年5月，中国科学院量子技术与应用研究中心暨济南量子技术研究院揭牌仪式在济南举行。济南量子通信试验网建设第一阶段（2011~2013年），搭建量子技术研发新平台，协调、推进量子技术研发与成果转化。进入第二阶段后，将充分利用研发平台，汇集中科院内相关研究力量，在量子器件和量子通信工程技术与成果转化方面形成引领量子技术发展的研发能力，在成果转化的基础上，进一步开拓量子通信技术的应用范围。

国内的量子通信研究已经实现落地。

量子通信面临的问题

量子通信是个极其复杂的技术问题，超长距离的量子通信仍在研究探索中，实用化面临着很多挑战；首先，量子信号在商用光纤上传输的不稳定性是量子保密通信技术实用化的主要技术障碍，很难让一对纠缠粒子在长距离通信上保持稳定。密码专家希望能够发展出某种形式的量子中继器，它本质上就是量子计算机的一种基本型式，可以克服距离的限制；其次，量子信号的绝对安全的路由问题则是实现量子通信网络的主要难题，因此，从根本上解决光纤传输的稳定性问题和光纤网络的量子路由问题一直是国际学术界的两大研究热点和难题。

量子密码是保障未来网络通信安全的一种重要的技术。虽然现在的量子密码术离实现广泛的商业化应用还有很长的路要走，还有很多问题需要解决，与经典密码相比很多方面还很不成熟，但随着对量子密码体制研究的进一步深入，越来越多的方案被提出来，近年来无论在理论上还是在实验上都在不断取得重要突破。量子通信技术是新一代信息安全技术，极大地强化现有的信息安全体系。我国应加快推进量子通信试验网建设，推动我国量子通信技术的发展和应用；制定量子通信技术标准，突破实现量子通信网络大规模实际应用的关键技术，尽快形成具有完全自主知识产权的国际领先的量子通信核心技术；配合我国广域量子通信的规划和布局，构建由我国主导、具有自主知识产权的信息安全堡垒；抢占未来信息技术发展的制高点，加快推进量子通信产业化。

量子通信前景广阔

量子信息和量子通信研究具有广阔的应用前景，目前，量子通信取得了飞速的发展，量子通信的理论框架已经基本形成，理论体系日趋完善。量子通信不仅在理论上取得了很大的进步，在技术研究和产品研制方面也获得了快速的发展，业界已研制出较为成熟的单光子探测器、量子密钥分发产品、纠缠源、量子随即数发生器、量子数据加密系统等，量子通信将逐渐步入实用化阶段。随着量子通信理论研究和量子通信实践应用的不断突破，量子通信产业化为期不远，市场前景不可估量。如今量子通信和量子计算潜在的重要科学价值和应用价值正在引领科学家研发未来的量子计算机，量子通信已成为21世纪通信与信息领域发展的方向和主流。科学家预计10年内有望实现全球化量子通信，量子通信技术在20~30年后将对人类社会发展产生难以估量的影响，21世纪信息科学将从“经典”时代跨越到“量子”时代。相信不久的将来量子密码将会在网络通信上得到广泛的应用，我们即将进入到一个量子信息时代。