浅析量子通信及其应用前景

由于以微电子技术为基础的信息技术应用即将达到物理极限，以量子效应为基础的量子通信具有高效率和绝对安全等特点，是近二十年来国际上量子物理和信息科学的研究热点，其应用方面前景广阔。

1.量子通信的基本原理及发展

量子是对原子、电子、光子等物质基本单元的统称。量子通信（Quantum Teleportation）是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通信方式，是量子论和信息论相结合的新研究领域。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。

1.1量子通信的起源

量子通信起源于19世纪20年代的“量子纠缠”。在量子力学中，有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系，不管它们被分开多远，只要一个粒子发生变化，就能立即影响到另外一个粒子，即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，类似于人类的“心灵感应”。值得一提的是，尽管爱因斯坦最早注意到微观世界中这一现象的存在，却不愿意接受它，并把它斥之为“幽灵般的超距作用（spooky action at a distance）”，认为在量子力学的诠释背后一定有着更根本的规律，它们才能正确、全面地解释量子现象。

1.2量子通信的雏形

量子通信的概念是美国科学家贝内特（C.H.Bennett）于1993年提出，即是由量子态携带信息的通信方式，利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程。量子通信的概念提出后，有6位来自不同国家的科学家基于量子纠缠理论，提出了利用卫星网络、光纤网络等传统信道与量子纠缠技术相结合的方法，实现量子隐形传送的方案，即将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方，把另一个粒子制备到该量子态上，而原来的粒子仍留在原处，这就是量子通信最初的基本方案。量子隐形传态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。

1.3量子通信的现状

目前对量子通信的理论方案和实验研究，主要集中于利用光纤信道和点对点的陆地无线光信道。在标准光纤信道中，2007年6月，一个由奥地利、英国、德国研究人员组成的小组，在量子通信研究中创造了通信距离144公里的纪录。在点对点通信上，2008年，在《新物理学》（New Journal of Physics）杂志上，一支意大利和奥地利科学家小组宣布，他们首次识别出从地球上空1500公里处的人造卫星上反弹回地球的单批光子，实现了太空绝密传输量子信息的重大突破。在多点通信上，2009年9月，中国科学技术大学潘建伟教授领衔的科研团队，建成了3节点链状16公里的自由空间量子信道，并在此基础上建成了世界上首个全通型量子通信网络，首次实现了实时语音量子保密通信，在23km的自由空间信道中，实现了基于单光子的量子密钥分配；在600m的自由空间中实现了基于纠缠光子对的量子密钥分配实验。如果按照这种速度发展下去，量子通信预计在2020年之前就可以进入实用。

2.量子通信的主要特点

量子通信与成熟的传统通信技术相比，具有以下主要特点：一是保密性强。量子密码通信其实不在于密码通信本身，量子密码技术不是用于传输密文，而是用于建立传输密码本。根据海森伯不确定性原理和量子不可克隆的特点，信息的量子比特或量子位一经检测，就会产生不可还原的改变，用量子位传递加密信息，若在到达预定接收者途中被窃取，预定接收者肯定能够发现。再加上量子通信采用的是“一次一密”的加密方式，且绝对不会重复使用，确保了通信的保密安全。

二是隐蔽性高。量子通信利用单量子纠缠现象，使光子、电子甚至是原子之间能相互影响（制约），从而传递信息。当其中的一个量子发送信息时，它本身并不移动，也不用借助其他媒介，另一个相关量子自然会接收到这个信息，空间距离和中间介质将不再成为通信的障碍。由于量子通信过程不存在任何电磁辐射，无论现有的无线电探测系统性能如何先进，对量子通信这种完全无“电磁”的通信目标，也是无能为力的。

三是应用性广。由于量子通信过程与传播媒质无关，传递的过程不会被任何障碍阻隔，甚至量子隐形传态过程中可穿越大气层，所以说量子通信的应用非常广泛，它既可以在太空中进行通信，又可以在海底等恶劣条件下通信，还可以在光纤等介质中进行信息“传递”。应用到卫星通信、深海通信、太空通信和光纤通信等领域的前景广阔。

四是时效性高。由于量子通信时延为零，可以实现超光速通信，将极大地提高通信速度；量子通信具有空间远距离、大容量、易组网等特点，可以用来构筑高速、大容量的通信网络，用于高清晰度图像、大容量、超高速数据的传输，便于建立量子因特网。

3.量子通信的应用前景

3.1建立全新卫星通信网

由于单光子在现在的硅光纤和陆上自由空间中的传输距离受到了限制，使量子通信的距离目前只有百余公里，无法实现全球范围意义上的量子通信。现在已经得到广泛应用的卫星通信和空间技术，给全球范围的量子通信提供了一种新的解决方案。即可以通过量子存储技术与量子纠缠交换和纯化技术的结合，做成量子中继器，突破光纤和陆上自由空间链路通信距离短的限制，延伸量子通信距离，实现真正意义上的全球量子通信。

3.2构建超光速信息网络

随着量子通信技术的研究突破和日趋成熟，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，建立有特殊需求的超光速量子通信网络。利用量子通信网络可实现大容量、高速率信息传输处理及按需共享，满足信息综合分析及辅助决策的需求。

3.3用于深海通信

目前岸基与深海之间的通信是采用长波通信方式，不仅系统庞大、设备造价高、抗毁性差，而且仅能实现海水下百米左右的通信。量子通信不同于传统的“波”通信，在同等条件下，量子通信获得可靠通信所需的信噪比，要比其他现有通信手段低30～40dB，加之量子通信的光量子隐形传态与传播媒质无关，这为深海通信开辟了一条崭新的途径。

3.4用于隐蔽保密通信网

通信隐身的关键之一是要降低电磁辐射，而目前的无线电通信都要依靠电磁波传输信号，特别是远程无线电通信需要辐射很强的电磁波，即使是激光通信，也要辐射很强的光波，而量子通信既无电磁波辐射，也无强光波辐射，且采用“一次一密”的加密方式，密码具有“不可破特性”和“窃听可知性”，从而确保了信息传输的安全，提高了信息保护和信息对抗能力。

3.5生成和分发通信密钥

量子通信技术的最大特点是具有完全安全性，是传统加密通信无法实现的。由于量子密钥是一套随机数列，且密钥的载体是量子态的粒子，所以不能被半路侦测（测不准原理）。可以通过天基平台部署量子通信密钥生成与分发系统，向任意用户分发量子密钥，从而构成安全可靠的通信网络。