量子通信将使军事通信更加保密

量子领域的量子计算、量子通信、量子探测等技术持续突破，成为各国竞逐的前沿领域。特别是作为新一代通信技术，量子通信基于量子信息传输的高效和绝对安全性，成为近年来国际科研竞争中的焦点领域之一。

一、量子通信：划时代的崭新技术

进入21世纪，随着世界电子信息技术的迅猛发展，以微电子技术为基础的信息技术即将达到物理极限，以量子效应为基础的量子通信将成为引领未来科技发展的重要领域。

量子通信（Quantum communication）是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子通信是近20年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们的关注。基于量子力学的基本原理，量子通信具有高效率和绝对安全等特点，并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类。前者主要用于量子密钥的传输，后者则可用于量子隐形传送和量子纠缠的分发。

量子是对原子、电子、光子等不可再分的物质基本单元的统称。在量子世界中存在一种类似“心电感应”的现象，即通常所说的“量子纠缠”。所谓量子纠缠，是指微观世界里有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系，不管它们离多远，只要一个粒子状态发生变化，就能立即使另一个粒子状态发生相应变化。也就是说两个处于纠缠状态的粒子无论相距多远，都能“感应”对方状态。打个比方说，甲乙两人身处两地，分别拿一个具有纠缠关系的光子，甲对这个光子进行某种操作，它会发生一些变化，这时乙手中的光子也会发生同样的变化。量子态隐形传输就是指利用量子纠缠技术，借助卫星网络、光纤网络等经典信道，传输量子态携带的量子信息。量子态隐形传输很像科幻小说中描绘的“超时空穿越”：外星人在一个地方神秘地消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方神秘地瞬间出现。一般意义上讲量子通信是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通信方式。从物理学上讲，量子通信是在物理极限下利用量子效应实现的高性能通信方式；从信息学上理解，量子通信是利用量子力学的基本原理或者量子态隐形传输等量子系统特有属性以及量子测量方法，完成两地之间的信息传递。量子隐形传输是利用量子纠缠原理和技术，借助网络等信道，传输量子态携带的量子信息。

为了让量子通信从理论走到现实，从上世纪90年代开始国内外科学家做了大量的研究工作。自1993年美国IBM的研究人员提出量子通信理论以来，美国国家科学基金会和国防高级研究计划局都对此项目进行了深入的研究。1993年在美国科学家贝内特提出量子通信概念以后不久，6位来自不同国家的科学家基于量子纠缠理论提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案。量子隐形传送不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义，而且可以用量子态作为信息载体，通过量子态的传送完成大容量信息的传输，实现原则上不可破译的量子保密通信。1997年在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验室成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。欧盟在1999年集中国际力量致力于量子通信的研究，研究项目多达12个。日本邮政省把量子通信作为21世纪的战略项目。

在2014年11月国际量子学术大会上，中国科学家们进一步提出，中国还将开展一系列研究工作的基础上，到2020年实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发， 届时联接亚洲与欧洲的洲际量子通信网也将建成。到2030年左右将建成全球化的广域量子通信网络。

二、量子通信具有传统通信不可比拟的优点

随着新技术的突破性进展，近年来量子通信这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。量子通信是经典信息论和量子力学相结合的一门新兴交叉学科，与目前成熟的通信技术相比，量子通信具有巨大的优越性，具有保密性强、大容量、远距离传输等特点。

一是量子通信是无懈可击的安全保密通信。现代通信技术在给人们带来便利的同时，也在不断制造着安全、隐私等方面的麻烦。与此前所有的通信方式均相比，量子通信属于隐形传输技术。据有关专家介绍，用光量子电话网虽然跟平常打电话一样，却不用担心被窃听，相互之间通话绝对安全。这是因为量子通信采用的是“一次一密”的加密方式，两人通话期间密码机每分每秒都在产生密码，牢牢“锁”住语音信息，一旦通话结束这串密码就会立即失效，下一次通话绝对不会重复使用，而且量子通信所提供的密钥无法被破解。本质上说量子密钥分配其实依旧依托于光纤通信，而单光子具有不可分割性是量子密码安全性的物理基础，因而量子密钥分配并非颠覆经典通信，更像是给经典通信增加了一把量子密码锁。因此只要在现有网络上安装一个小装置，人们的通信安全将变得无懈可击。就是量子通信技术的神奇之处。

二是量子通信是超光速通信。研究人员发现，即使将两个纠缠态亚原子粒子分隔宇宙距离，它们之间的通信也几乎是即刻的（0时间）。根据量子力学理论的描述，两个处于纠缠态的粒子无论相距多远，都能“感知”和影响对方的状态。研究结果表明，无论影响光子的什么因素，这种影响都几乎是同时发生的。根据研究人员的计算，这种影响因素起作用的速度必须要比光束快至少1万倍。可见量子通信速度是超光束通信的。与传统光速通信相比，量子超光速通信具有许多人们梦寐以求的优点：量子超光速通信的线路时延可以为零，从而实现了最快通信；量子信息传递的过程不会为任何障碍所阻隔；量子超光速通信完全环保，不存在任何电磁辐射污染。

三是量子通信是超时空穿越的远距离通信。量子通信属于隐形传输技术，它与人类历史上此前已有的通信技术存在着本质性的差异。有科学实验证实，量子隐形传态过程中穿越大气层的可能性，为未来基于卫星量子中继的全球化量子通信网奠定了可靠基础。量子隐形传输如同科幻小说中描绘的超时空穿越。量子在一个地方神秘消失，又在另一个地方瞬间出现。

四是量子通信具有超高信道容量。信道容量是指信道在噪声环境下有效传输信息的能力，是通讯领域最基本的问题。量子信道不仅可以传输经典信息，还可以传输私密信息和量子信息，每种情况对应一个信道容量。与传统的通信方式相比，量子通信具有超高信道容量的明显优势。有专家预测，量子通信技术可能在20―30年后对人类社会发展产生难以估量的影响，量子通信理论研究和量子通信实践应用的不断突破，充分表明量子通信已成为21世纪通信与信息领域发展的方向和主流。可以说，量子通信将催生量子信息时代的来临。

三、量子通信的军事用途广泛

量子通信在国防和军事应用方面有着无与伦比的广阔前景，可以利用量子隐形传输以及超大信道容量、超高通信速率和信息高效率等特点，建立满足军事特殊需求的超光速军事信息网络。1994年开始，美国国防高级研究计划局致力于用3―5年的时间推进量子通信技术方面的研究，美军实施了“以不加外力传输的方式向战场和全球传输报文能力”的量子通信计划。

一是能够应用于通信密钥生成与分发系统。在国防和军事领域，量子通信能够应用于通信密钥生成与分发系统，向未来战场覆盖区域内任意两个用户分发量子密钥，构成作战区域内机动的安全军事通信网络。量子技术最大特点是具有完全安全性的特征，是传统加密通信无法实现的。在现有的军事通信系统网络基础上，可以通过天基平台部署量子通信密钥生成与分发系统，向未来战场覆盖区域内任意两个用户分发量子密钥，从而构成作战区域内机动的安全军事通信网络。

二是能够应用于信息对抗。由于光量子密码具有“不可破”和“窃听可知性”，且光量子加密设备可与现在的光纤通信设备融合。因此可以用来改进目前军用光网信息传输保密性，从而提高信息保护和信息对抗能力。量子通信能够应用于信息对抗，改进军用光网信息传输保密性，提高信息保护和信息对抗能力。

三是能够应用于深海安全通信。能够应用于深海安全通信，为远洋深海安全通信开辟崭新途径。岸基与深海之间的通信一直是世界性难题。世界各国海军现有的长波通信系统，不仅系统庞大、造价高、抗毁性差，而且仅能实现海水下百米左右的通信。由于量子通信光量子隐形传态与传播媒质无关，这就为远洋深海安全通信开辟了一条崭新的途径。

四是能够应用于构建超光速信息网络。军事信息网络需要大容量、高速率传输处理及按需共享能力。随着量子通信技术的研发突破和日趋成熟，可以利用量子隐形传态以及超大信道容量、超高通信速率和信息高效率等特点，建立满足军事特殊需求的超光速军事信息网络。

量子通信不仅可用于国防等领域的部级保密通信，还可用于涉及秘密数据和票据的电信、证券、保险、银行、工商、地税、财政等领域和部门，而技术又相对成熟，未来市场容量极大。

四、世界各国积极抢占量子通信制高点

量子通信是面向未来的全新通信方式，由于其具有严格意义上的传统通信方式所不具备的绝对信息安全传输特性，在国家安全、军事、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景。因此量子通信的研发得到各国官方及通信研究领域的高度重视。

发展量子通信技术的终极目标是构建区域乃至全球范围的绝对安全的量子通信网络体系。通过光纤实现城域量子通信网络连接一个中等城市内部的通信节点、通过量子中继实现邻近两个城市之间的连接、通过卫星与地面站之间的自由空间光子传输和卫星平台的中转实现遥远两个区域之间的连接，是实现全球量子通信最理想的路线图。在这一路线图的指引下，欧洲、美国和中国等在过去几年中均进行了战略性部署，投入了大量的科研资源和开发力量，进行关键技术攻关和实用化、工程化探索，力争在激烈的国际竞争中占据先机。光纤量子密码技术目前正从点对点量子密钥分发的初级阶段向实现多节点网络内的量子安全性方向深入发展阶段，全球各地正在加紧进行量子通信系统的实用化和工程化建设。

量子通信技术具有极大的军事应用价值。美国国防部已将量子通信推向实用化，并被视为最安全的通信方式。由美国国防部高级研究署（DARPA）支持， BBN公司（具有很强的军方特色）技术部联合波斯顿大学与哈佛大学共同开展了量子保密通信与IP 互联网结合的五年试验计划。该计划主要内容是以BBN技术部、波斯顿大学和哈佛大学作为三个节点以构建融合现行光纤通信网、互联网和量子光通信的量子互联网，并在此基础上实现保密通信。

在欧盟的《量子信息处理和通信：欧洲研究现状、愿景与目标战略报告》中给出了欧洲未来五年和十年量子信息的发展目标，例如将重点发展量子中继和卫星量子通信，实现1000公里量级的量子密钥分配。欧洲空间局计划到2018年将国际空间站上的量子通信终端与一个或多个地面站之间建立自由空间量子通信链路，首次演示绝对安全的空间量子密钥全球分发的可行性。欧盟在2008年9月了关于量子密码的商业白皮书，启动量子通信技术标准化研究，并联合了来自12个欧盟国家的41个伙伴小组成立了SECOQC工程。

日本提出了量子信息技术长期研究战略，计划通过高强度的研发投入，在5―10年内建成全国性的高速量子通信网。日本邮政省将把量子信息确定为21世纪国家的战略项目，日本的NICT也启动了一个长期支持计划。日本国立信息通信研究院计划在2020年实现量子中继，到2040年建成极限容量、无条件安全的广域光纤与自由空间量子通信网络。

另外，一些世界著名的公司也对量子信息技术投入了大量研发资本，介入了产业化开发，例如：美国电话电报公司（AT&T）、Bell实验室、IBM、Hewlett-Packard，荷兰Philips，日本Hitachi、NEC、NTT、Toshiba，英国电话电报公司，德国西门子公司等。2010年10月，日本在东京展示一个由NEC、Toshiba、三菱电子等公司支持建设的量子通信网络。由此可见，大型国际企业已经实际地介入了量子通信技术的研发和产业化。

而我国在这方面处于国际领先水平，已经实现了超过两百公里（世界纪录）的安全信息传输，实用化安全传输距离已达到几十公里，量子通信网络技术已发展成熟。中国的起步不错，也有很好的学术带头人，下一步的发展就是明确定位的问题。一方面是注意与现有通信的融合，要善于借鉴现有的通信技术；另一方面，安全性是量子通信在实际应用中的体现，应在未来制定量子通信安全性标准。

量子通信从原理走上小范围专用问题的实用化，是现在全世界都在努力的方向。如今量子通信技术的研究已经从科研阶段进入试点阶段，未来随着量子通信技术的大力发展，将向规模商用阶段迈进，量子通信的绝对保密性也决定了其在国防、金融等领域有着广阔的应用前景。