1月8日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)完成的“多光子糾纏及干涉度量”獲得2015年度國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。經(jīng)“兩會(huì)”決議，量子通信與量子計(jì)算機(jī)被納入“十三五”規(guī)劃綱要，成為未來五年我國(guó)計(jì)劃實(shí)施的十大重點(diǎn)戰(zhàn)略工程及項(xiàng)目之一，量子通信由此成為2016年科技領(lǐng)域最熱門的話題之一。那么，量子通信是什么？又如何應(yīng)用呢？

量子通信的概念與發(fā)展歷程

1982年，法國(guó)物理學(xué)家Alain.Aspect和他的小組通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了微觀粒子“量子糾纏”現(xiàn)象確實(shí)存在，從而證實(shí)了超距作用（愛因斯坦的幽靈）的存在，即任何兩種物質(zhì)之間，不管距離多遠(yuǎn)，都有可能相互影響，不受四維時(shí)空的約束。

1993年，在量子糾纏理論的基礎(chǔ)上，美國(guó)科學(xué)家C.H.Bennett提出了量子通信的概念。量子通信是由量子態(tài)攜帶信息的通信方式，其利用光子等基本粒子的量子糾纏效應(yīng)實(shí)現(xiàn)保密通信過程。隨后，一個(gè)由6位來自不同國(guó)家的科學(xué)家組成的物理學(xué)國(guó)際小組基于量子糾纏理論，提出了利用經(jīng)典與量子相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)量子隱形傳輸?shù)姆桨?。即將某個(gè)粒子的未知量子態(tài)傳送到另一個(gè)地方，把另一個(gè)粒子制備到該量子態(tài)上，而原來的粒子仍留在原處，這是量子通信最初的方案。

1997年，在奧地利留學(xué)的中國(guó)青年學(xué)者潘建偉與荷蘭學(xué)者波密斯特等人合作，首次實(shí)現(xiàn)了未知量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸。這是國(guó)際上首次在實(shí)驗(yàn)上成功地將一個(gè)量子態(tài)從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實(shí)驗(yàn)中傳輸?shù)闹皇潜磉_(dá)量子信息的“狀態(tài)”，作為信息載體的光子本身并不被傳輸。

2008年，一支意大利和奧地利科學(xué)家小組宣布，他們首次識(shí)別出從地球上空1500公里處的人造衛(wèi)星上反射回地球的單批光子。2012年，中國(guó)科學(xué)家潘建偉等人在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)百公里量級(jí)的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志稱這一成果基本上解決了量子通信衛(wèi)星的遠(yuǎn)距離信息傳輸問題，是“遠(yuǎn)距離量子通信的里程碑”。

我國(guó)是世界上量子通信應(yīng)用最早的國(guó)家。2009年5月，中科大在安徽省蕪湖市試運(yùn)行世界上首個(gè)量子政務(wù)網(wǎng)。2012年3月，合肥城域量子通信試驗(yàn)示范網(wǎng)投入使用，該網(wǎng)覆蓋合肥市主城區(qū)，通過6個(gè)接入交換和集控站，連接40組量子電話用戶和16組量子視頻用戶，用戶主要包括政府機(jī)關(guān)、金融機(jī)構(gòu)、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、軍工企業(yè)及科研院所等。2014年，世界第一條量子通信保密干線啟動(dòng)建設(shè)，該干線全長(zhǎng)2000多千米，連接北京與上海，貫穿山東濟(jì)南、安徽合肥等地，是千公里級(jí)高可信、可擴(kuò)展的廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，預(yù)計(jì)2016年下半年建成。

量子通信的研究方向與應(yīng)用

量子通信技術(shù)主要研究量子隱形傳態(tài)和量子秘鑰分發(fā)。量子隱形傳態(tài)利用量子糾纏將量子態(tài)傳送至任意位置，具有“不可探測(cè)、無空間約束”的特點(diǎn)，在原理上絕對(duì)安全。但是基于隱形傳態(tài)的量子通信目前只存在概念中，尚無實(shí)際應(yīng)用的例子。國(guó)內(nèi)權(quán)威專業(yè)團(tuán)隊(duì)也表示，若無革命性的突破，該技術(shù)在近幾十年內(nèi)都沒有實(shí)用化的可能。所以，目前的量子通信通常特指基于量子秘鑰分發(fā)技術(shù)的安全保密通信。其通信過程與經(jīng)典的加密通信基本相同，都是由信息加密、信息傳輸、信息解密三個(gè)步驟組成，不同之處在于，加解密的過程中將普通密鑰換成量子密鑰，而信息的傳輸一般是通過經(jīng)典方式（如光纖、衛(wèi)星等）來進(jìn)行。在目前以及不遠(yuǎn)的將來，量子通信的應(yīng)用方式主要有以下三種。

基于量子光纖?，F(xiàn)今已建成的光纖量子城域網(wǎng)和正在建設(shè)的2000公里“京滬干線”均采用的是該方式。即專門鋪設(shè)光纖作為量子密鑰分發(fā)的主要途徑。由于光纖傳輸過程中，光量子的能量有衰減，所以每隔一段距離就需要加入專用中繼設(shè)備，讓光量子能夠傳輸?shù)酶h(yuǎn)。

基于量子衛(wèi)星。當(dāng)需要進(jìn)行量子密鑰分發(fā)的距離過大或不具備建設(shè)專用光纖線路條件的時(shí)候，可以通過專用衛(wèi)星作為中繼進(jìn)行傳輸。預(yù)計(jì)在2016年7月發(fā)射的量子衛(wèi)星就將對(duì)該方式進(jìn)行試驗(yàn)。500公斤重的量子衛(wèi)星，由量子密鑰通信器、量子糾纏發(fā)射器、糾纏源、處理單元和激光通信器構(gòu)成，衛(wèi)星將在中國(guó)和歐洲的兩個(gè)地面站之間中繼傳輸量子密鑰。項(xiàng)目的首席科學(xué)家潘建偉院士表示，如果該試驗(yàn)成功，中國(guó)將發(fā)射多顆衛(wèi)星，于2020年建成連接亞洲和歐洲的量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)，2030年建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

基于移動(dòng)量子存儲(chǔ)器。國(guó)外研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)研制出手持式量子存儲(chǔ)及加解密設(shè)備，用來存儲(chǔ)制備好的量子密鑰。采用這種方式，需要進(jìn)行保密安全通信的場(chǎng)合，僅需在發(fā)送端和接收端配發(fā)相互糾纏配對(duì)的量子密鑰存儲(chǔ)設(shè)備，接入通信鏈路，對(duì)信息進(jìn)行加解密處理。加密后的密文可以通過電臺(tái)、衛(wèi)星、甚至民用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（移動(dòng)、聯(lián)通、電信等）進(jìn)行通信。這種方式對(duì)于軍隊(duì)與國(guó)防安全領(lǐng)域具有更重要的意義。

對(duì)量子通信研究運(yùn)用的思考

量子保密通信在國(guó)外均處于實(shí)驗(yàn)室技術(shù)研究階段，包括美國(guó)在內(nèi)，沒有進(jìn)入實(shí)際工程應(yīng)用，這其中的原因值得深思。除中國(guó)外，世界上其他研究量子通信的機(jī)構(gòu)和國(guó)家都沒有進(jìn)行大規(guī)模工程應(yīng)用，包括美國(guó)。在美國(guó)，早在2003年，DARPA和NIST（美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局）制造出世界上第一臺(tái)QKD（量子密鑰分發(fā)）實(shí)驗(yàn)床，此后，公開的信息中再也沒有出現(xiàn)過量子通信方面的進(jìn)展。這就產(chǎn)生了幾種猜測(cè)：一是美國(guó)政府將量子通信技術(shù)的進(jìn)展作為核心機(jī)密，外界無法獲得與之有關(guān)的任何線索；二是美國(guó)政府暫未將量子通信技術(shù)作為重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象。關(guān)于第一點(diǎn)，我們只能憑借猜測(cè)。關(guān)于第二點(diǎn)倒是有幾個(gè)佐證。眾所周知，美國(guó)如果要發(fā)展某項(xiàng)新技術(shù)，會(huì)在其各類“規(guī)劃”中有所體現(xiàn)，如大數(shù)據(jù)技術(shù)、激光武器技術(shù)等。而且，如果要將某項(xiàng)新技術(shù)大規(guī)模工程應(yīng)用，其所做的第一件事情必然是定標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議。如當(dāng)年，DARPA在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域就是通過定下各種互聯(lián)網(wǎng)通用協(xié)議，從而確立了美國(guó)在信息領(lǐng)域的霸主地位。時(shí)至今日，美國(guó)依然沒有為量子保密通信定標(biāo)準(zhǔn)的打算，反而投入力量進(jìn)行后量子加密技術(shù)研究。

量子保密通信技術(shù)從原理上來說是“絕對(duì)安全”的，但是“有人參與的量子通信”卻存在各種問題。量子保密通信并非無懈可擊，例如通信鏈路上的身份認(rèn)證問題。目前我國(guó)應(yīng)用的量子通信主要依靠光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸密鑰，當(dāng)距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，需要進(jìn)行信號(hào)中繼。澳大利亞一研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研發(fā)出通過信號(hào)中繼加入自己信息的技術(shù)，可以向目標(biāo)發(fā)送任何信息，而由于量子通信過程中沒有相應(yīng)的身份認(rèn)證過程，目標(biāo)端無法分辨真?zhèn)?。隨著研究的深入，目前的量子保密通信技術(shù)肯定會(huì)有更多的問題被發(fā)現(xiàn)。

量子保密通信在達(dá)到核心理論、核心技術(shù)、核心元器件三方面完全自主化之前，投入需謹(jǐn)慎。有專家指出，到目前為止，我國(guó)量子通信領(lǐng)域的元器件70%~80%依賴進(jìn)口，做科學(xué)試驗(yàn)沒有問題，但這樣是無法保證其產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的，安全性也有問題。

量子保密通信技術(shù)只是實(shí)現(xiàn)安全通信的一種手段，并非不可替代。現(xiàn)有的量子通信嚴(yán)格意義上只是一種密鑰分發(fā)技術(shù)，就整個(gè)通信系統(tǒng)來說，其架構(gòu)還是經(jīng)典的，并非無懈可擊。量子通信技術(shù)只能對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)中的部分環(huán)節(jié)起作用，要實(shí)現(xiàn)安全通信，完全可以從其他環(huán)節(jié)入手，或直接在整體架構(gòu)上進(jìn)行革新。例如，美國(guó)沒有大力發(fā)展量子通信，可能就是認(rèn)為經(jīng)典密碼體系現(xiàn)階段足以滿足其通信安全的需求。