劃時代的量子通信技術(shù)現(xiàn)狀及展望

陜西省西安市西安中學 梁雨清

劃時代的量子通信技術(shù)現(xiàn)狀及展望

陜西省西安市西安中學 梁雨清

量子通訊技術(shù)因其出色的安全性、高效性及準確性一直是信息發(fā)展研發(fā)領域的熱點，2016年8月，世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”的發(fā)射升空，標志著我國在量子通信技術(shù)上的跨越式的發(fā)展和領先優(yōu)勢。本文簡要描述了量子通信技術(shù)的概念及特點，并結(jié)合當前量子通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀對量子通信技術(shù)的發(fā)展提出展望。

量子通信技術(shù)；安全；高效；信息容納量

信息的安全傳遞一直是人類千百年以來孜孜不倦追求的目標，傳統(tǒng)的加密技術(shù)隨著計算能力的迅猛提升而越來越脆弱，量子通信技術(shù)的出現(xiàn)則正好破解了這一難題。我國的高級科研計劃中也包括量子通訊技術(shù)的研究與調(diào)控，關注量子通信技術(shù)的內(nèi)涵及發(fā)展，了解量子通訊技術(shù)的現(xiàn)狀以及應用的前景，對于量子通信技術(shù)的普及有著重要的意義。

1. 量子通信概念

量子通信的概念是由美國科學家上世紀八十年代提出的，相較于傳統(tǒng)電子通信技術(shù)而言，量子通信概念的提出具有劃時代的意義，在政治、軍事、社會及經(jīng)濟等領域都有巨大的應用潛力。

量子通信包括量子密匙分發(fā)以及量子態(tài)隱形傳輸兩個過程，目前人類也已實現(xiàn)了短距離的量子通信，其可行性已通過實驗證據(jù)得到了證明。量子通信的原理簡單說來就是讓量子態(tài)的空間轉(zhuǎn)移，但是量子態(tài)的載體在空間上又不發(fā)生移動，相當于一張紙上的文字轉(zhuǎn)移到了另一張紙上，而這兩張紙的距離相隔數(shù)百米。這種量子間的相互作用就像是雙胞胎之間的心靈感應，雖然雙方并不進行語言的交流，但是當一個粒子的狀態(tài)改變時，相隔數(shù)千米外的另一個粒子的狀態(tài)也會隨之改變，這中間沒有任何信息的傳遞，這就徹底顛覆了傳統(tǒng)通信的傳輸模式。

2. 量子通信技術(shù)的特性

2.1 高安全性

量子通訊只能夠在兩個固定地點的粒子之間進行，即點對點的通訊。對于兩個固定的地點的兩個粒子來講，當一個地點的粒子狀態(tài)改變時，另一個地點的粒子狀態(tài)會隨著發(fā)生改變，如果想要從中截取任何信息，都會改變原有粒子的狀態(tài)，導致原有粒子上攜帶的信息改變。從這一點來講，量子通訊是根本無法被第三方解碼的，任何嘗試解碼的行為都會改變信息自身，這就注定了量子通訊的高度的安全性，在軍工等領域前景光明。

2.2 高傳遞效率

在理論上，兩個粒子的狀態(tài)之間的改變幾乎不需要時間，一個粒子狀態(tài)改變時另一個粒子的狀態(tài)會同時改變，這意味著量子通信技術(shù)的傳輸效率要遠遠高于現(xiàn)今人類任何一種傳輸介質(zhì)，其傳輸速度連光速都無法比擬。而量子通信技術(shù)的傳輸效率不受介質(zhì)的影響，這意味著岸基與深海之間的通信難題從此不復存在，對于軍事的深海作戰(zhàn)有非凡的意義。

2.3 高信息容納量

以當前最為普及的光纖通信為例，這種通訊方式是以光為載體來傳遞信息，信息傳遞的速度是由光的速度決定的。而在同樣的情況下，量子通信技術(shù)信息傳遞的速度幾乎不受到限制，同樣數(shù)量的量子通信載體與光纖通信載體信息容納量相差幾十倍，量子通信技術(shù)能夠在一秒內(nèi)傳送完的信息需要光纖通信技術(shù)傳遞數(shù)十秒，僅在高信息容納量方面的這一特點就可以創(chuàng)造巨大的使用價值。

3. 量子通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

在量子通信技術(shù)的研發(fā)這一方面，我國與其他國家的起步時間基本相同，但是在研發(fā)進度方面位居世界前列。早在2014年中國科學技術(shù)大學的研究團隊就成功實現(xiàn)了兩百千米距離上的量子通信，并且成功地讀取了量子態(tài)中的信息。2015年中國科學技術(shù)大學的研究團隊再創(chuàng)佳績，成功實現(xiàn)了多自由度量子體系的隱形傳輸，打破了自1997年以來人類只能實現(xiàn)單一自由度量子隱形傳輸?shù)挠涗?，為中國量子通訊技術(shù)的發(fā)展留下了濃墨重彩的一筆[1]。

2016年8月16日，我國在酒泉發(fā)射中心用長征2號運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空，這意味著我國在量子通信技術(shù)方面的研發(fā)再一次走在了世界的前列?！澳犹枴弊鳛橹袊茖W院空間科學先導專項首批科學實驗衛(wèi)星之一，其主要任務是進行星空地面高速量子密匙分發(fā)事件以及廣域量子密匙網(wǎng)絡實驗，為超遠距離上的量子通信打下基礎。

在不久的未來，可以預見我國將形成天地一體化的量子通信系統(tǒng)，不僅可以確保我國網(wǎng)絡通信安全和國家安全，也能夠用于金融、商業(yè)、百姓日常通信等多個領域，做出重大現(xiàn)實貢獻。

4. 量子通信技術(shù)的發(fā)展前景及缺陷

4.1 發(fā)展前景

第一，軍事領域的安全通信。量子通信技術(shù)的絕對安全的特點很好地符合了軍事領域?qū)τ谕ㄐ诺囊?。出于軍事安全和國家安全的考慮，軍事領域中的信息傳遞必須保證絕對的安全性，而為此我國也投入了巨額資金來開發(fā)各種保密技術(shù)。而量子通信技術(shù)的發(fā)展可謂是一勞永逸地解決了通信技術(shù)的安全問題，其高效性也保證了各種軍事信息傳輸?shù)男?，有助于幫助我們在未來的信息化?zhàn)爭中獲取更大的優(yōu)勢。

第二，可作為儲存重要信息的載體。我國每年都會耗費巨資來升級和建設重要信息的儲存空間，以滿足我國不斷增長的儲存重要信息的需求。而用量子通信技術(shù)來儲存信息，其高度的安全性不僅可以保證所有的機密信息絕對不會被第三方獲知，其無限的容量也可以滿足未來我國對于機密信息儲存的空間要求。

第三，將量子信息與互聯(lián)網(wǎng)概念相結(jié)合。雖然當前人們已經(jīng)進入了大數(shù)據(jù)時代，但是人們對于數(shù)據(jù)的利用還是受到了諸多因素的限制。將量子信息與互聯(lián)網(wǎng)概念相結(jié)合，量子信息的高效率、大容量將徹底解決人們應用大數(shù)據(jù)的各種障礙，滿足對于網(wǎng)絡信息的任何需求，對于我國經(jīng)濟以及科技的發(fā)展有無可比擬的優(yōu)勢。

4.2 缺陷

對于環(huán)境的適應性不強是量子通信技術(shù)當前應用的最大缺陷。由于粒子的狀態(tài)很容易受到外界的影響而改變，在量子通訊的過程中任何外界的干擾都會直接導致通信內(nèi)容的變化，在實驗的過程中是嚴格控制了外界的干擾才能夠得到正確的信息，而在實際運用的過程中，這種外界對于量子通信的干擾基本上是無可避免的，如果無法保證傳輸信息的準確性，那么這種通信技術(shù)也沒有使用的價值。此次墨子號就肩負著探索太空量子信息傳遞的重任，太空中各種粒子眾多，對于量子通信傳輸準確度的影響也較大，如果墨子號能夠成功實現(xiàn)太空與地面之間的量子信息通訊，破解外界干擾量子信息通信的難題，量子通信技術(shù)最大的缺陷也將不復存在[2]。

此外，現(xiàn)有的光學量子設備的體積和質(zhì)量都比較大，如此專業(yè)的設備也需要專業(yè)的人員進行操作才能實現(xiàn)通訊，要想實現(xiàn)量子通訊技術(shù)的真正普及，還需要進一步實現(xiàn)量子設備的便攜化，進一步降低光學量子設備的成本，降低其操作的難度。而在這一點上，量子通信技術(shù)還有相當長的一段路要走。

5. 結(jié)語

量子通信技術(shù)的特點決定了其在通訊技術(shù)方面無可比擬的優(yōu)勢，這也是量子通訊技術(shù)近年來迅猛發(fā)展的原因所在。長期看來，量子通信技術(shù)在國家信息安全、經(jīng)濟發(fā)展以及其他方面都有巨大的應用潛力，而在量子通信技術(shù)的應用方面我國也已走在了世界的前列，雖然量子通信技術(shù)還存在一定的缺陷，但是相信隨著科研人員的不懈努力，量子通信技術(shù)必將成為21世紀的主要信息交流方式。

[1]韓寶彬,裴昌幸.自由空間量子通信系統(tǒng)分析[J].解放軍理工大學學報(自然科學版),2011(60:574-576.

[2]趙士成,史鵬,李文東等.水下量子通信的數(shù)值模擬及誤碼率分析[J].中國海洋大學學報(自然科學版),2016(2):131-137.