划时代的量子通信技术现状及展望

陕西省西安市西安中学 梁雨清

划时代的量子通信技术现状及展望

陕西省西安市西安中学 梁雨清

量子通讯技术因其出色的安全性、高效性及准确性一直是信息发展研发领域的热点，2016年8月，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”的发射升空，标志着我国在量子通信技术上的跨越式的发展和领先优势。本文简要描述了量子通信技术的概念及特点，并结合当前量子通信技术的发展现状对量子通信技术的发展提出展望。

量子通信技术；安全；高效；信息容纳量

信息的安全传递一直是人类千百年以来孜孜不倦追求的目标，传统的加密技术随着计算能力的迅猛提升而越来越脆弱，量子通信技术的出现则正好破解了这一难题。我国的高级科研计划中也包括量子通讯技术的研究与调控，关注量子通信技术的内涵及发展，了解量子通讯技术的现状以及应用的前景，对于量子通信技术的普及有着重要的意义。

1. 量子通信概念

量子通信的概念是由美国科学家上世纪八十年代提出的，相较于传统电子通信技术而言，量子通信概念的提出具有划时代的意义，在政治、军事、社会及经济等领域都有巨大的应用潜力。

量子通信包括量子密匙分发以及量子态隐形传输两个过程，目前人类也已实现了短距离的量子通信，其可行性已通过实验证据得到了证明。量子通信的原理简单说来就是让量子态的空间转移，但是量子态的载体在空间上又不发生移动，相当于一张纸上的文字转移到了另一张纸上，而这两张纸的距离相隔数百米。这种量子间的相互作用就像是双胞胎之间的心灵感应，虽然双方并不进行语言的交流，但是当一个粒子的状态改变时，相隔数千米外的另一个粒子的状态也会随之改变，这中间没有任何信息的传递，这就彻底颠覆了传统通信的传输模式。

2. 量子通信技术的特性

2.1 高安全性

量子通讯只能够在两个固定地点的粒子之间进行，即点对点的通讯。对于两个固定的地点的两个粒子来讲，当一个地点的粒子状态改变时，另一个地点的粒子状态会随着发生改变，如果想要从中截取任何信息，都会改变原有粒子的状态，导致原有粒子上携带的信息改变。从这一点来讲，量子通讯是根本无法被第三方解码的，任何尝试解码的行为都会改变信息自身，这就注定了量子通讯的高度的安全性，在军工等领域前景光明。

2.2 高传递效率

在理论上，两个粒子的状态之间的改变几乎不需要时间，一个粒子状态改变时另一个粒子的状态会同时改变，这意味着量子通信技术的传输效率要远远高于现今人类任何一种传输介质，其传输速度连光速都无法比拟。而量子通信技术的传输效率不受介质的影响，这意味着岸基与深海之间的通信难题从此不复存在，对于军事的深海作战有非凡的意义。

2.3 高信息容纳量

以当前最为普及的光纤通信为例，这种通讯方式是以光为载体来传递信息，信息传递的速度是由光的速度决定的。而在同样的情况下，量子通信技术信息传递的速度几乎不受到限制，同样数量的量子通信载体与光纤通信载体信息容纳量相差几十倍，量子通信技术能够在一秒内传送完的信息需要光纤通信技术传递数十秒，仅在高信息容纳量方面的这一特点就可以创造巨大的使用价值。

3. 量子通信技术的发展现状

在量子通信技术的研发这一方面，我国与其他国家的起步时间基本相同，但是在研发进度方面位居世界前列。早在2014年中国科学技术大学的研究团队就成功实现了两百千米距离上的量子通信，并且成功地读取了量子态中的信息。2015年中国科学技术大学的研究团队再创佳绩，成功实现了多自由度量子体系的隐形传输，打破了自1997年以来人类只能实现单一自由度量子隐形传输的记录，为中国量子通讯技术的发展留下了浓墨重彩的一笔[1]。

2016年8月16日，我国在酒泉发射中心用长征2号运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空，这意味着我国在量子通信技术方面的研发再一次走在了世界的前列。“墨子号”作为中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一，其主要任务是进行星空地面高速量子密匙分发事件以及广域量子密匙网络实验，为超远距离上的量子通信打下基础。

在不久的未来，可以预见我国将形成天地一体化的量子通信系统，不仅可以确保我国网络通信安全和国家安全，也能够用于金融、商业、百姓日常通信等多个领域，做出重大现实贡献。

4. 量子通信技术的发展前景及缺陷

4.1 发展前景

第一，军事领域的安全通信。量子通信技术的绝对安全的特点很好地符合了军事领域对于通信的要求。出于军事安全和国家安全的考虑，军事领域中的信息传递必须保证绝对的安全性，而为此我国也投入了巨额资金来开发各种保密技术。而量子通信技术的发展可谓是一劳永逸地解决了通信技术的安全问题，其高效性也保证了各种军事信息传输的效率，有助于帮助我们在未来的信息化战争中获取更大的优势。

第二，可作为储存重要信息的载体。我国每年都会耗费巨资来升级和建设重要信息的储存空间，以满足我国不断增长的储存重要信息的需求。而用量子通信技术来储存信息，其高度的安全性不仅可以保证所有的机密信息绝对不会被第三方获知，其无限的容量也可以满足未来我国对于机密信息储存的空间要求。

第三，将量子信息与互联网概念相结合。虽然当前人们已经进入了大数据时代，但是人们对于数据的利用还是受到了诸多因素的限制。将量子信息与互联网概念相结合，量子信息的高效率、大容量将彻底解决人们应用大数据的各种障碍，满足对于网络信息的任何需求，对于我国经济以及科技的发展有无可比拟的优势。

4.2 缺陷

对于环境的适应性不强是量子通信技术当前应用的最大缺陷。由于粒子的状态很容易受到外界的影响而改变，在量子通讯的过程中任何外界的干扰都会直接导致通信内容的变化，在实验的过程中是严格控制了外界的干扰才能够得到正确的信息，而在实际运用的过程中，这种外界对于量子通信的干扰基本上是无可避免的，如果无法保证传输信息的准确性，那么这种通信技术也没有使用的价值。此次墨子号就肩负着探索太空量子信息传递的重任，太空中各种粒子众多，对于量子通信传输准确度的影响也较大，如果墨子号能够成功实现太空与地面之间的量子信息通讯，破解外界干扰量子信息通信的难题，量子通信技术最大的缺陷也将不复存在[2]。

此外，现有的光学量子设备的体积和质量都比较大，如此专业的设备也需要专业的人员进行操作才能实现通讯，要想实现量子通讯技术的真正普及，还需要进一步实现量子设备的便携化，进一步降低光学量子设备的成本，降低其操作的难度。而在这一点上，量子通信技术还有相当长的一段路要走。

5. 结语

量子通信技术的特点决定了其在通讯技术方面无可比拟的优势，这也是量子通讯技术近年来迅猛发展的原因所在。长期看来，量子通信技术在国家信息安全、经济发展以及其他方面都有巨大的应用潜力，而在量子通信技术的应用方面我国也已走在了世界的前列，虽然量子通信技术还存在一定的缺陷，但是相信随着科研人员的不懈努力，量子通信技术必将成为21世纪的主要信息交流方式。

[1]韩宝彬,裴昌幸.自由空间量子通信系统分析[J].解放军理工大学学报(自然科学版),2011(60:574-576.

[2]赵士成,史鹏,李文东等.水下量子通信的数值模拟及误码率分析[J].中国海洋大学学报(自然科学版),2016(2):131-137.