量子通信發(fā)展綜述

雷濟(jì)宇 重慶市育才中學(xué)校

1 量子通信原理

量子通信是量子信息學(xué)的一個(gè)重要分支，是量子信息中研究較早的領(lǐng)域。量子通信是以量子態(tài)作為信息單元來實(shí)現(xiàn)信息的有效傳送的。在量子通信中，除了需要傳統(tǒng)的經(jīng)典信道外，更為主要的還需建立通信各方之間的量子信道。所謂量子信道實(shí)際上就是通信各方之間的量子糾纏。量子糾纏是量子力學(xué)不同于經(jīng)典物理的存在于多子系量子系統(tǒng)中的一種最奇妙、最不可思議的現(xiàn)象，即對(duì)一個(gè)子系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果無法獨(dú)立于其他子系的測(cè)量參數(shù)。

首先，由于量子是最小的能量單位，竊聽者無法將量子切割成兩部分，讓其中一部分繼續(xù)傳送，而對(duì)另一部分進(jìn)行狀態(tài)測(cè)量獲取密鑰信息；第二是通信絕對(duì)保密，由于任何試圖竊聽、觀察都會(huì)引起光子量子態(tài)坍塌，因此不可能被竊聽，任何的竊聽、復(fù)制、測(cè)量行為，都會(huì)改變量子狀態(tài)，竊聽者也不能截取量子之后，去測(cè)量它的狀態(tài)，因?yàn)檫@樣竊聽行為會(huì)暴露；第三，就是量子物理學(xué)中的“不確定性原理”，不可能同時(shí)知道一個(gè)粒子的位置和它的速度，因此，未知的量子態(tài)無法被精確復(fù)制用來竊聽。由于量子具有“不可分割”“不確定性”“不可克隆”等特性。目前來看，量子保密通信，從原理上確保身份認(rèn)證、傳輸加密以及數(shù)字簽名等的無條件安全，是最有保障的通信方式。量子通信仍是目前為止唯一被嚴(yán)格證明可提供無條件安全的保密通信手段。

2 量子通信的意義

量子通信最大的優(yōu)勢(shì)就是保密，并且超光速通信。這種通信方式確立之后，在軍事上的用途非常廣泛，例如以光纖為基礎(chǔ)的國家聯(lián)合作戰(zhàn)通信基礎(chǔ)網(wǎng)一旦被竊聽或者木馬入侵，即可造成嚴(yán)重的失泄密、破壞性后果，甚至造成整個(gè)作戰(zhàn)體系癱瘓。而一旦量子通信得到運(yùn)用，在沒有正確身份權(quán)限的情況下，即使美國人（或者外星人）也不可能入侵得了中國的軍事網(wǎng)絡(luò)。

3 量子通信的發(fā)展

3.1 量子通信的發(fā)展歷程

1984年美國IBM公司科學(xué)家提出了首個(gè)量子密鑰分發(fā)協(xié)議——BB84協(xié)議，使量子通信的研究從理論走向了現(xiàn)實(shí)。2005年美國學(xué)者提出了多強(qiáng)度誘騙態(tài)調(diào)制方案，解決了量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的弱相干光源多光子的安全漏洞，為量子通信的實(shí)用化打開大門。

隨著量子密鑰分發(fā)技術(shù)的發(fā)展和逐步成熟，世界各國試點(diǎn)應(yīng)用呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢(shì)。2003年哈佛大學(xué)建立了世界首個(gè)量子密鑰分發(fā)保密通信網(wǎng)絡(luò)。此后，歐、美、日等多個(gè)地區(qū)和國家相繼建成了多個(gè)量子通信實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。國內(nèi)量子通信的試點(diǎn)應(yīng)用起步稍晚但發(fā)展迅速。2007年中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在北京實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)首個(gè)光纖量子電話。2014年，量子通信“京滬干線”項(xiàng)目通過評(píng)審并開始建設(shè)。中國科學(xué)院牽頭的戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”計(jì)劃，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院研究所和中國航天科技集團(tuán)第八研究院合作，發(fā)射了全球首顆量子通信衛(wèi)星。2017年，世界首條量子保密通信干線——“京滬干線”正式開通。

3.2 量子通信的產(chǎn)業(yè)化推廣

量子通信的戰(zhàn)略意義吸引了各國科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注，國外成立了多個(gè)專門從事量子通信技術(shù)成果轉(zhuǎn)化和商業(yè)推廣的實(shí)體公司。國家也對(duì)量子通信領(lǐng)域持續(xù)的專項(xiàng)投入和政策扶持為其發(fā)展提供了強(qiáng)勁動(dòng)力。2015年，中國科學(xué)院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和科大國盾量子等機(jī)構(gòu)在北京共同發(fā)起組建了“中國量子通信產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”。

業(yè)內(nèi)人士介紹，量子保密通信技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用分三步走，一是通過光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò);二是通過量子中繼器實(shí)現(xiàn)城際量子通信網(wǎng)絡(luò);三是通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)可覆蓋全球的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

2017年3 月，阿里云宣布網(wǎng)商銀行一組信貸數(shù)據(jù)采用量子技術(shù)在專有云上完成了量子加密通訊試點(diǎn)，這是業(yè)界第一個(gè)云上量子加密通訊案例。未來阿里云計(jì)劃逐步將政務(wù)、金融、電子商務(wù)等各種類型的云態(tài)遷移到量子安全域。

雖然基于量子密鑰分發(fā)的量子通信產(chǎn)業(yè)化目前已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，但是大規(guī)模的應(yīng)用推廣仍然面臨一系列的困難和挑戰(zhàn)，主要包括：初期市場(chǎng)規(guī)模和用戶群體有限；產(chǎn)業(yè)化供應(yīng)鏈的建立尚需時(shí)日；技術(shù)驗(yàn)證與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研發(fā)滯后；系統(tǒng)應(yīng)用需要基礎(chǔ)設(shè)施資源的支持。

4 結(jié)論

量子通信作為未來信息通信行業(yè)的一個(gè)新興戰(zhàn)略性制高點(diǎn)，已經(jīng)成為國家科技實(shí)力競(jìng)爭的主戰(zhàn)場(chǎng)之一，同時(shí)也是我國在高新技術(shù)研究與應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)閿?shù)不多的與國際發(fā)展保持同步并且有望實(shí)現(xiàn)跨越引領(lǐng)的突破口。但仍需清醒地認(rèn)識(shí)到，量子通信的應(yīng)用發(fā)展仍然面臨從技術(shù)產(chǎn)業(yè)到測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)等多方面的瓶頸和局限。今后，在技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和標(biāo)準(zhǔn)等方面取得進(jìn)展和突破的前提下，量子通信在國家信息安全領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)中將發(fā)揮重要作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]蘇曉琴，郭光燦.量子通信與量子計(jì)算[J].量子電子學(xué)報(bào)，2004，(06):706-718.