量子通信技术的原理和进展

孟颖 吕超 王加安 张冠阳 陈浩

【摘要】 量子通信是经典通信与量子力学交叉结合所形成的一门新兴学科。本文概括了量子通信的基本概念及其主要技术量子秘钥分发和量子隐形传态的基本原理。同时介绍了量子通信在世界范围内的研究进展和发展前景。

【关键词】 量子通信 量子秘钥分发 量子隐形传态

一、前言

量子通信是量子信息技术的主要组成部分，它具有绝对保密，通信容量大，传输速度快等优点，可以完成经典通信所不能完成的特殊任务。量子通信可以利用无法破译的秘钥系统，实现真正意义上的保密通信，因此量子通信成为当今世界关注的科技前沿。量子通信是以量子态作为信息元实现对信息的有效传送。它是继电话和光通信之后通信史上的又一次革命。

二、量子通信的主要组成部分

2.1量子秘钥分发

量子秘钥分发不是用于传送保密内容，而是在于建立和传输密码本，即在保密通信双方分配秘钥，俗称量子密码通信[1]。

1984年，美国的Bennett和加拿大的Brassart提出著明的BB84协议，即用量子比特作为信息载体，利用光的偏振特性对量子态进行编码，实现对秘钥的产生和安全分发。1992年， Bennett提出了基于两个非正交量子态，流程简单，效率折半的B92协议。这两种量子秘钥分发方案都是建立在一组或多组正交及非正交的单量子态上。1991年，英国的Ekert提出了基于两粒子最大纠缠态，即EPR对的E91方案。

1998年，又有人提出了在三组共轭基上进行偏振选择的六态方案量子通信，它是由BB84协议中的四种偏振态和左右旋组成。BB84协议被证明是迄今为止无人攻破的安全秘钥分发方式，量子测不准原理和量子不可克隆原理，保证了它的无条件安全性。EPR协议具有重要的理论价值，它将量子纠缠态与量子保密通信联系起来，为量子保密通信开辟了新途径。

2.2量子隐形传态

1993年由Bennett等6国科学家提出的量子隐形传态理论是一种纯量子传输方式，利用两粒子最大纠缠态建立信道来传送未知量子态，隐形传态的成功率必定会达到100%[2]。

199年，奥地利的A.Zeilinger小组在室内首次完成量子隐形态传输的原理性实验验证。在不少影片中常出现如此的情节：一个在某处突然消失的神秘人物突然出现在另一处。由于量子隐形传态违背了量子力学中的量子不可克隆原理和海森堡不确定原理，因此它在经典通信中只不过是一种科幻而已。

然而量子通信中引入了量子纠缠这一特殊概念，将原物未知量子态信息分成量子信息和经典信息两部分，使得这种不可思议的奇迹得以发生，量子信息是在测量过程未提取的信息，经典信息是对原物进行某种测量。

三、量子通信的进展

从1994年开始，量子通信已经逐步进入实验阶段，并向实用化目标迈进，具有巨大的开发价值和经济效益。1997年，中国青年科学家潘建伟与荷兰科学家波密斯特等人试验并实现了未知量子态的远程传输。

2004年4月Lorunser等利用量子纠缠分发第一次实现1.45KM的銀行间数据传输，标志着量子通信从实验室走向应用阶段。目前量子通信技术已经引起各国政府、产业界和学术界的高度重视。一些国际著名公司也积极发展量子信息的商业化，如英国电话电报公司，美国的Bell、IBM、AT&T等实验室，日本的东芝公司，德国的西门子公司等。2008年，欧盟“基于量子密码的全球保密通信网络开发项目”组建的7节点保密通信演示验证网络试运行成功。

2010年，美国《时代周刊》在“爆炸性新闻”专栏中以“中国量子科学的飞跃”为题报道了中国在16公里量子隐形传输的实验成功，标志中国有能力建立地面与卫星间的量子通信网络[3]。 2010年，日本国家情报通信研究机构联合三菱电机和NEC，以及瑞士ID Quantique公司、东芝欧洲有限公司和奥地利的All Vienna公司在东京成立了六节点城域量子通信网络“Tokyo QKD Network”。该网络集中了目前日本及欧洲在量子通信技术上发展水平最高的研究机构和公司的最新研究成果。

四、量子通信展望

量子通信是通讯技术具有划时代意义的伟大进步，它与传统的通信技术相比，在安全性，信道容量，传输距离等方面都突破了经典技术的极限。量子通信必将改变未来信息产业的格局。

目前，其理论框架已基本成型，理论体系正日趋完善。有科学家预言，全球化的量子通信有望在十年内实现。

参 考 文 献

[1]何燕玲，王川，焦荣珍等.量子通信原理及进展概述.[J]中国电子科学研究院学报.2012，7（5）：466-471.

[2]苏晓琴，郭光灿.两种典型的量子通信技术. [J]广西大学学报.2005，30（1）：30-38.

[3]吴华，王向斌，潘建伟.量子通信现状与展望. [J]中国科学：信息科学.2014，44（3）：296-311