走近量子通信

胡 睿，胡洪坡，张亭华

(1.河北省张家口市宣化区第一中学，河北 张家口 075100；2.通信训练基地，河北 张家口 075100；3.河北省张家口市宣化区财神庙街小学,河北 张家口 075100)

2017-08-29

胡 睿(2000- )，男，河北藁城人，高三学生，Android应用APP开发。

1674- 4578(2017)05- 0051- 04

走近量子通信

胡 睿1，胡洪坡2，张亭华3

(1.河北省张家口市宣化区第一中学，河北 张家口 075100；2.通信训练基地，河北 张家口 075100；3.河北省张家口市宣化区财神庙街小学,河北 张家口 075100)

文章首先介绍了量子通信的基本概念：量子、测不准定理、量子不可复制、量子纠缠、量子隐形传态、量子密钥分发等，基于这些概念分析了隐形传态的量子通信原理，在此基础上结合绝对安全、超大容量、超远距传输、无需介质、近实时传送等优点介绍了量子通信的应用情况，最后对量子通信的发展现状进行了总结。

量子纠缠；量子密钥分发；量子隐形传态；量子信道

众所周知，通信与社会生活息息相关。为了满足人类不断增长的通信需求，近现代以来各种有线通信、无线通信方式在有效性和可靠性方面不断发展，大大方便了人类各种社会通信的需求。然而进入21世纪的人类越来越体会到单纯依靠经典通信方式，已经不能满足在通信容量和信息安全方面的进一步需求。随着理论研究和实际器件的发展，一种能够提供超大信息效率和绝对安全通信等特点的新型通信方式-量子通信越来越受到广大科研工作者及相关行业生产厂商的青睐。

1 量子通信基本概念

要想理解量子通信，一些基本概念需要我们认真掌握并细加揣摸。这些基本概念主要有量子、测不准定理、量子不可复制、量子纠缠、量子隐形传态、量子密钥分发等。

1) 量子。量子是最小的、不可再分割的能量单位。量子是普朗克1894年在研究黑体辐射问题时发现的，他在相关研究中认为物质辐射或吸收的能量不是无限可分的，而是有一个最小的单元，这个最小的不可再分的能量单元即为“量子”[1,2〗。

2) 测不准定理。量子的属性(量子态)具有成对的特性，人们无法准确测得这些成对属性的所有细节。测不准定理是由近代科学家海森堡提出的，他认为当对量子成对属性中的一个属性进行精确测量的同时，就会打乱量子属性的原来状态，而使得成对属性中的另一个属性变得无法精确测量。

3) 量子不可复制。量子不可复制也称量子不可克隆，指的是不可能通过克隆或复制的方法得到一个和原有量子一模一样，各种量子态均一致的另一个量子。量子不可复制是测不准定理的一个推论，即由测不准定理可知，我们无法精确测量量子属性的全部，所以我们就无法复制出和原量子态均一致的另一个克隆量子。

4) 量子纠缠。量子纠缠指的是成对量子具有相干性，即成对量子中的一个量子态(动量、自旋等状态)发生变化时，另一个量子态也会同步相应变化。量子纠缠是量子通信赖以实现的基础特性，成对的纠缠量子可以通过一个较大的粒子分裂而来，理论上这两个纠缠粒子之间即使不通过介质，也能超远距相互作用，就像爱因斯坦所说的“幽灵一般的远距作用”。

5) 量子隐形传态。量子隐形传态是基于量子纠缠态的分发与量子联合测量，实现量子态的空间转移而不移动量子态的物理载体。在量子隐形传态过程中不需要其它介质，仅通过量子信道(量子纠缠)就可直接传送量子态信息，并且理论上不受空间限制可进行超大距离的传送。

6)量子密钥分发。量子密钥分发以量子态为信息载体，基于量子力学的测不准和量子不可复制定理，通过量子信道使通信收发双方共享密钥。量子密钥分发在通信中并不传输密文，只是利用量子信道传输密钥，将密钥分配到通信双方。

2 量子通信原理与实现

目前量子通信研究主要集中在量子隐形传态、量子密钥分发、量子安全直接通信和量子机密共享等四个技术领域。除量子隐形传态外其它三种技术都和安全保密关联比较大，而只有量子隐形传态更符合量子通信利用量子相干叠加、量子纠缠效应进行信息传递的技术定义，限于篇幅，本文仅以量子隐形传态的原理框图来对量子通信的实现原理进行简要介绍。图1是基于隐形传态的量子通信原理图。

图1 基于隐形传态的量子通信原理图

如图1所示，Alice和Bob是量子隐形传态的通信双方(在介绍量子通信技术时一般把发送方称作“Alice”，把接收方称作“Bob”)。A、B、C为三个量子，其中A、B为通过量子纠缠分发得到的一对量子纠缠对，C为待传送的未知量子。Alice和Bob之间有一条经典信道和一条A、B建立的量子纠缠信道。

量子隐形传态大致分为四个步骤。第一步是通过量子纠缠分发技术使Alice和Bob获得具有纠缠关系的A、B两个量子；第二步是Alice利用联合检测技术对A、C进行测量并获得一定的测量信息，在测量过程中A、C的状态都会因为进行了测量而发生一定变化，同时由于量子纠缠，Bob处的B量子会因为纠缠量子A的变化也相应变化；第三步Alice通过经典信道将联合检测的测量信息发送给Bob；第四步Bob收到测量信息后，根据测量信息按一定规则对本地的B量子进行变换，使得变换后的B量子转变为与Alice未进行联合检测前的C量子一致的原始状态。

3 量子通信应用

量子通信相较于经典通信最大的优点在于其绝对安全的特性，因此非常适合于对安全特性要求特别高的用户，比如军队、政府、银行、金融证券以及大型企业集团等部门。在这些应用场合中量子通信更适合军事通信的需求。下面仅从量子通信在绝对安全、超大容量、超远距传输、无需介质、近实时传送等优点方面来分析一下其应用情况。

1) 绝对安全。由于量子不可精确测量及不可复制等特点，在合法用户双方使用量子通信过程中，一旦有非法用户企图窃听、截获、复制量子的状态信息，就会使传送的量子态发生改变，从而使非法用户只能得到无效的量子信息，同时合法用户双方也会即时发现正常的通信状态被打断，并判断出有用户在非法获取通信信息。因此理论上量子通信是绝对安全的，这样对于像军事通信这样强调信息绝对安全的用户而言，量子通信无疑是一个首先的保密通信手段。

2) 超大容量。量子通道的通信容量是由表征量子态的自由度来决定的，比如量子的波长、自旋、动量、角动量等特性，联合使用多量子的多自由度进行量子通信，最终的通信容量将会呈指数式增长。因此，量子通信可以保证各类用户多种需求的超大容量指标要求，最大限度地满足各类其语音、数据、多媒体以及各种通信业务的容量需求。

3) 超远距传输。理论上处于纠缠态的量子对发生相互作用的距离是无限的，但在实际情形中，由于实际环境的限制(比如空气)，纠缠量子对的分发距离会受到限制。目前纠缠量子对在空气中的水平分发距离大约在100 km左右，如果想实现量子通信的超远距传输需要增大纠缠量子的分发距离，比如采用卫星进行量子纠缠分发，可实现上千公里的分发距离。相信随着基于卫星的量子通信研究的不断深入，量子卫星通信也可实现与经典卫星一样的超远距信息传输。

4) 无需介质。基于量子隐形传态的量子通信依靠的是纠缠量子对提供的量子信道，收发双方用户之间不需要经典通信时必须的有线或无线信道等介质的存在。这种不需要信道介质的通信方式可以有效解决军事通信应用中的一些疑难问题，比如水下通信、复杂电磁环境通信等问题。在常规的对潜通信中，只有长波通信适合作为陆地或空中对潜艇的通信频率，但长波通信具有设备庞大造价高、信息传输速率低等固有缺点。如果采用量子通信，由于其通信过程不受介质的影响，使得水下对潜通信的问题将迎刃而解。此外，在经典通信设备遇到山地等复杂电磁环境时，通信将变得非常困难。而量子通信却不存在任何遮挡、吸收、多径传播等影响通信的难题，可以很好地解决山地通信、复杂电磁环境、通信干扰等问题。

5) 近实时传送。采用量子通信时，纠缠的量子对间的状态改变是瞬间发生的，有人推测得出其速度超过光速1 000倍，因此量子通信的速度主要取决于隐形传态时的经典信道速度，如果采用光纤信道作为经典信道，则可知量子通信可以实现接近光速的传送速度，也可以说近实时地传送。在经典通信中由于受电磁波速度的限制，在跨洋通信、星地通信过程中会引入较大的时延过程，对于用户的通信产生一定的影响，所以采用量子通信将给用户提供一种近实时传送的通信方式体验。

4 量子通信发展现状

近年来随着人们对于量子通信的不断研究分析与深入了解，国内外相关科技人员均在量子通信的不同领域取得了举世瞩目的成果。美国早在2006年，就实现了超过100 km的量子保密通信实验，近期美国航空航天局计划在其总部与喷气推进实验室之间建立一个直线距离600 km的远距离光纤量子通信干线，并计划拓展到星地量子通信。欧洲也在2006年实现了超过100 km的保密通信实验，并于2007年实现了通信距离达144 km的量子通信，2008年首次识别出从人造卫星上反弹回地球的光子，距离超过1 500 km。我国在量子通信领域的研究进展与西方国家大体相当，并在2014年将远程量子密钥分发系统的安全距离扩展到200 km，2016年8月发射了世界首枚量子通信科学实验卫星，首次实现了卫星和地面之间的超远距量子通信，2016年11月“京沪干线”国家量子通信骨干网合肥至上海段顺利开通，该干线全长712 km，是目前全球开通的最长的量子保密通信骨干网络。

5 结束语

量子通信具有独特的魅力，爱因斯坦称其为上帝掷的骰子、具有幽灵般的作用，这种颠覆人们经典通信认知的通信方式是解决困扰21世纪人类通信难题的一把闪闪发光的金钥匙。随着越来越多有志于投身量子通信领域研究的人员的加入，量子通信的研究必将不断深入发展，量子通信具有的绝对安全、超大容量、超远距传输、无需介质、近实时传送等优点将会被更多用户应用在不同的应用领域，大大改善并提高人们的社会生活水平。

[1] 张宇隆，张学赓.浅谈量子通信及其军事应用前景.军队指挥自动化，2016(3)：65-67.

[2] C.C.，彭世坤.神奇的量子和量子通信.成都：四川科学技术出版社，2014.

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

[4] 徐兵杰，刘文林，毛钧庆，等.量子通信技术发展现状及面临的问题研究.通信技术，2014(5)：463-468.

[5] 刘川，贾军帅，夏冬玉，等.量子通信技术.通信与计算技术，2016(4)：18-23.

[6] 宋海刚，谢崇波.量子通信实用化现状分析与探讨.中国基础科学，2011(3)：21-25.

[7] 蒋佳玲，朱长明.量子通信技术发展现状及应用.国际太空，2015(11)：30-33.

ApproachingQuantumCommunication

Hu Rui1, Hu Hongpo2, Zhang Tinghua3

(1.XuanhuaNo.1MiddleSchool,ZhangjiakouHebei075100,China;2.CommunicationTrainingBase,ZhangjiakouHebei075100,China; 3.XuanhuaCaishenStreetPrimarySchool,ZhangjiakouHebei075100,China)

This article first introduces the basic concepts of quantum communication, that are quantum, quantum uncertainty theorem, quantum non copy, quantum entanglement, quantum teleportation, quantum key distribution and so on. Based on these concepts, the quantum communication principle of teleportation is analyzed. And on the above basis, combining with the advantages of absolute safety, large capacity, ultra long distance transmission, without medium, near real-time transmission, the application of quantum communication is introduced, then the development status of quantum communication are summarized.

quantum entanglement; quantum key distribution; quantum teleportation; quantum channel

TN929.11

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