量子光學(xué)與量子信息領(lǐng)域中的通信技術(shù)

【摘要】 量子光學(xué)的量子特性在信息領(lǐng)域有著獨特的功能，利用其壓縮態(tài)、糾纏態(tài)、偏振等性質(zhì)在提高運算速度、確保信息安全、增大信息容量和提高檢測精度等方面有望突破現(xiàn)有經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限。量子通信在一定程度上已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)應(yīng)用并具有廣闊的市場應(yīng)用前景，特別是在量子密碼和量子計算方面有突破性進展。

【關(guān)鍵詞】 量子光學(xué) 量子信息 量子密碼 量子計算機

一、發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

近十幾年來，量子通信的距離和速率都有了飛躍式的提升，一些小規(guī)模的量子通信試驗網(wǎng)已經(jīng)建成，驗證了量子通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化的可行性。歐盟已提出歐洲量子通信未來發(fā)展目標，將重點發(fā)展量子中繼和衛(wèi)星量子通信，實現(xiàn)千公里量級的量子密鑰分發(fā)；日本國立信息通信研究院計劃到2040年建成極限容量、無條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網(wǎng)絡(luò)；美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室過去幾年中則一直在悄悄創(chuàng)建一套輻射狀的量子互聯(lián)網(wǎng)。

我國盡管屬于后來者，但起點高，進展快，在應(yīng)用研究的多個方面已經(jīng)達到世界先進水平，2012年初，潘建偉小組在合肥市建成世界上規(guī)模最大的46節(jié)點量子通信試驗網(wǎng)，標志著大容量的量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已取得關(guān)鍵突破；與此同時，金融信息量子通信驗證網(wǎng)在北京開通，在世界上首次實現(xiàn)利用量子通信網(wǎng)絡(luò)對金融信息的安全傳輸。另外還牽頭組織了中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”，計劃在2016年左右發(fā)射，在此基礎(chǔ)上將實現(xiàn)高速星地量子通信并連接地面的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建我國廣域量子通信體系。在城域量子通信關(guān)鍵技術(shù)方面已達到產(chǎn)業(yè)化要求，產(chǎn)業(yè)化預(yù)備與歐美處于同等水平。

潘建偉認為，目前，我國量子保密通信技術(shù)在城域網(wǎng)上的使用基本成熟，已經(jīng)可以推廣；城際量子通信網(wǎng)絡(luò)方面，連接北京和上海的千公里光纖量子通信骨干網(wǎng)工程“京滬干線”已正式立項，有望在兩三年內(nèi)投入使用。但要實現(xiàn)廣域的量子保密通信，還需要借助衛(wèi)星。

可以預(yù)想，隨著量子通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)，在不久的將來，作為保障未來信息社會通信安全的關(guān)鍵技術(shù)，量子保密通信將有望走向大規(guī)模應(yīng)用，成為電子政務(wù)、電子商務(wù)、電子醫(yī)療、生物特征傳輸和智能傳輸系統(tǒng)等各種電子服務(wù)的驅(qū)動器，為當(dāng)今信息化社會提供基礎(chǔ)的安全服務(wù)和最可靠的安全保障。

二、量子信息應(yīng)用的主要領(lǐng)域

在量子信息中，用一定量子體系的量子態(tài)對信息進行編碼，即以量子態(tài)作為信息的載體，按照量子力學(xué)的疊加原理等規(guī)律對量子態(tài)進行傳送或邏輯操作，從而達到量子信息處理的目的。量子信息是量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合發(fā)展起來的新學(xué)科，主要包括量子通信和量子計算2個領(lǐng)域。量子通信主要研究量子密碼、量子隱形傳態(tài)、遠距離量子通信的技術(shù)等；量子計算主要研究量子計算機和適合于量子計算機的量子算法。

2.1量子密碼

保密通信不僅在軍事、國防等領(lǐng)域發(fā)揮獨特作用，而且對當(dāng)今的社會發(fā)展也日漸重要。量子密碼是量子信息領(lǐng)域最有可能獲得實際應(yīng)用的技術(shù)。傳統(tǒng)的保密通信可以分為“加密”、“接收”、“解密”三個過程，發(fā)送者將發(fā)送內(nèi)容通過某種加密規(guī)則（密鑰）轉(zhuǎn)化為密文，接收者在接到密文后采用與加密密鑰匹配的解密密鑰對密文進行解密，得到傳輸內(nèi)容。 量子保密通信的過程也相同，只不過作為加密和解密的密鑰不再是傳統(tǒng)的密碼，而是改用微觀粒子攜帶的量子態(tài)信息。這一看似微小的變化，使密鑰的安全性產(chǎn)生了徹底變化。

量子密碼術(shù)以量子物理基本規(guī)律為依據(jù)，利用量子態(tài)的非局域糾纏性，使任何竊取信息的過程都不可能不留下痕跡，而量子不可克隆原理，又使非法者不可能采用任何技術(shù)通過克隆竊取信息，這就從根本上保證了量子通信的保密性和可靠性。目前采用量子光學(xué)原理，已成功在光纖中實現(xiàn)了30km的密鑰傳遞，為量子密碼術(shù)的發(fā)展展現(xiàn)了美好前景。中科院開展了利用光糾纏態(tài)進行量子保密通訊的實驗研究，目前在量子通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化研究方面，中國科大潘建偉小組于2008年建成光量子電話網(wǎng)，實現(xiàn)了“一次一密”加密方式的實時網(wǎng)絡(luò)通話。

量子密碼傳送的實驗分兩類：一類是光子在通常用的光纖中傳播；另一類是在自由空間中傳播。自由空間中的量子密鑰分配通常利用偏振態(tài)來編碼，主要困難是大氣環(huán)境、背景光等復(fù)雜因素的影響嚴重，因此通常只能在天氣良好無月光的深夜開展實驗。相比較于自由空間傳輸而言，光纖量子密鑰分配更易實現(xiàn)和實用，當(dāng)然由于光纖存在損耗，因此光纖量子密碼的傳輸距離只能在幾百公里的范圍內(nèi)；除了距離，更需要解決的問題是如何滿足多用戶需求。所以光纖量子密碼實用化的關(guān)鍵性問題是發(fā)明新型的光學(xué)干涉環(huán)，解決相位編碼光纖QKD系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，另外是發(fā)明量子路由器，解決實現(xiàn)光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性困難。這兩項現(xiàn)在百公里和小范圍的光纖網(wǎng)絡(luò)中得以應(yīng)用量子密碼，建設(shè)量子密碼網(wǎng)絡(luò)并非易事，還涉及網(wǎng)絡(luò)工程和現(xiàn)代光通信等領(lǐng)域，需要物理學(xué)家和網(wǎng)絡(luò)工程師、通信工程師、軟件工作者的通力合作。

2.2量子計算機

目前的計算機運轉(zhuǎn)都是基于經(jīng)典物理規(guī)律，稱之為經(jīng)典計算機。近些年來，人們已經(jīng)認識到經(jīng)典計算機有著某些不可克服的局限性。比如，不可能產(chǎn)生真正的隨機數(shù)序列，無法模擬一個常規(guī)的量子力學(xué)系統(tǒng)或者說在有限的時間內(nèi)模擬一個常規(guī)的量子力學(xué)系統(tǒng)等；此外，從經(jīng)典計算機發(fā)展來看，計算機的速度進一步提高，也意味著芯片更高的集成與微型化。當(dāng)二氧化硅表面的電路線度小到電子大小的尺度時，電子在電路中的行為不再服從經(jīng)典力學(xué)規(guī)律，取而代之的將是量子力學(xué)規(guī)律。這些都將制約著現(xiàn)代信息科學(xué)或者說經(jīng)典信息科學(xué)的發(fā)展，量子力學(xué)的發(fā)展為信息科學(xué)的發(fā)展提供了可靠的物理基礎(chǔ)。數(shù)年前，在幾平方毫米的芯片上可以集成上百個微激光器，現(xiàn)在，在5”的襯底上可以集成108 個微激光器。這種高密度的管子集成，為光通信、光計算等高科技的進一步開拓和發(fā)展開辟了美好的前景。

我國現(xiàn)在為實現(xiàn)固體量子計算機，主要開展3個方面的工作：一是基于新材料的半導(dǎo)體量子芯片；二是基于微納米光腔的量子仿真；三是基于表面等離子體金屬納米結(jié)構(gòu)的量子輸運。在量子計算機中，一串處于疊加態(tài)的量子比特，可以被糾纏在一起，完成大量信息的同時編碼與平行運算，這樣便使得運算速度獲得突破性提高，完成經(jīng)典計算機不可能完成的運算。然而，量子計算機在基于半導(dǎo)體的芯片可持續(xù)發(fā)展將不可避免的依賴新一代的基于量子力學(xué)的計算芯片的出現(xiàn)，但真正研發(fā)出有意義的量子芯片的實現(xiàn)任重而道遠，甚至還具有很大的不確定性。

三、總結(jié)

我國的量子通信技術(shù)發(fā)展迅速，位居世界前列。在2009 年成功實現(xiàn)了世界上最遠距離的量子隱形傳態(tài)，這一距離是目前國際上自由空間糾纏光子分發(fā)的最遠距離，也是目前國際上沒有竊聽漏洞的量子密鑰分發(fā)的最大距離。中國科學(xué)家在自由空間量子通信方向上的一系列工作引起了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。下一步科學(xué)家們正在計劃通過自由空間實現(xiàn)幾百公里的量子通信，超越光纖傳輸?shù)臉O限。量子通信比較傳統(tǒng)通信技術(shù)具有明顯優(yōu)勢：抗干擾能力強，不需要借助傳統(tǒng)信道；量子密碼幾乎不可能被破譯，保密性強；線路時延幾乎為零，傳輸速度快。

目前量子通信技術(shù)已經(jīng)引起很多國家政府和軍方的高度關(guān)注。一方面量子通信保密性強，在軍事上幾乎難以被敵方破譯，能夠保證己方軍事行動不被敵方所偵析。另一方面量子通信技術(shù)能夠抵御未來量子計算機技術(shù)帶來的威脅。眾所周知，運用現(xiàn)有的高速計算機來破解復(fù)雜的加密算法可能需要幾萬年，在現(xiàn)實中是難以接受的。然而量子計算機卻只需大約幾分鐘。如果量子計算機投入使用，就意味著任何傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)密碼體制都不再安全。

參 考 文 獻

[1]光纖量子密碼網(wǎng)絡(luò)，溫浩 郭光燦 現(xiàn)代物理知識 2007年第4期

[2]量子信息技術(shù) 郭光燦 重慶郵電大學(xué)學(xué)報 2010年10月

[3] 量子通信技術(shù)的發(fā)展動態(tài)及應(yīng)用 詹源源 科協(xié)論壇2011年第2期

[4]量子密碼研究進展 馬瑤瑤 福建電腦 2011年第7期

[5]量子光學(xué)與量子信息 彭堃墀 中國基礎(chǔ)科學(xué)科學(xué)前沿 2000年 4月

[6]量子光學(xué)與量子信息領(lǐng)域中的中國 白雨虹 楊秀彬 嚴寒 光學(xué)精密工程 2007年5月