量子通信發(fā)展方向

量子通信技術(shù)發(fā)展成熟后，將廣泛地應(yīng)用于軍事保密通信及政府機關(guān)、軍工企業(yè)、金融、科研院所和其他需要高保密通信的場合。量子通信未來有以下幾個發(fā)展方向：

(1)采用量子中繼技術(shù)，擴大通信距離。

這方面以中國的“京滬干線”項目為代表。由于單光子在傳輸過程中損耗很大，對于遠距離傳輸，必須采用中繼技術(shù)。然而量子態(tài)的非克隆原理給量子中繼出了很大難題，因為量子態(tài)不可復(fù)制，所以量子中繼不能像普通的信號中繼一樣，把弱信號接收放大后再轉(zhuǎn)發(fā)出去。量子中繼只能是在光子到達最遠傳輸距離之前接收其信號，先存儲起來，再讀出這個信號，最后以單光子形式發(fā)送出去。量子中繼很像火炬接力，一個火炬在燃料耗盡之前點燃另一個火炬，這樣持續(xù)傳送下去，不能一次同時點燃多個火炬。量子中繼有很多方案，包括光量子方案、固態(tài)原子方案等。

(2)采用星地通信方式，實現(xiàn)遠程傳輸。

采用衛(wèi)星通信后，兩地之間的量子通信更加方便快捷。在真空環(huán)境中，光子基本無損耗，損耗主要發(fā)生在距地面較低的大氣中。據(jù)測算，只要在地面大氣中能通信十幾千米，星地之間通信就沒有問題。中國學(xué)者曾經(jīng)在北京與懷柔之間成功地進行夜晚十幾千米的單光子傳輸實驗，為星地量子通信奠定了堅實的實驗基礎(chǔ)。

(3)建立量子通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)多地相互通信。

量子通信要想實用化，必須覆蓋多地形成網(wǎng)絡(luò)。2009年，郭光燦小組在安徽蕪湖建立了世界首個量子政務(wù)網(wǎng)，標志著中國量子保密通信正式進入應(yīng)用階段。，國內(nèi)外都建成了多個實用的量子通信網(wǎng)絡(luò)，下一步的發(fā)展是擴大節(jié)點數(shù)，擴展通信距離，形成大覆蓋面積的廣域網(wǎng)。

量子通信具有傳統(tǒng)通信方式所不具備的絕對安全特性，在國家安全、金融等信息安全領(lǐng)域有著重大的應(yīng)用價值和前景，也逐漸走進人們的日常生活。

為了讓量子通信從理論走到現(xiàn)實,從上世紀90年代開始,國內(nèi)外科學(xué)家做了大量的研究工作。自1993年美國IBM的研究人員提出量子通信理論以來，美國國家科學(xué)基金會和國防高級研究計劃局都對此項目進行了深入的研究，歐盟在1999年集中國際力量致力于量子通信的研究，研究項目多達12個，日本郵政省把量子通信作為21世紀的戰(zhàn)略項目。我國從上世紀80年代開始從事量子光學(xué)領(lǐng)域的研究，近幾年來，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的量子研究小組在量子通信方面取得了突出的成績。

2003年,韓國、中國、加拿大等國學(xué)者提出了誘騙態(tài)量子密碼理論方案,徹底解決了真實系統(tǒng)和現(xiàn)有技術(shù)條件下量子通信的安全速率隨距離增加而嚴重下降的問題。

2006年夏,我國中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉小組、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室、歐洲慕尼黑大學(xué)—維也納大學(xué)聯(lián)合研究小組各自獨立實現(xiàn)了誘騙態(tài)方案，同時實現(xiàn)了超過100公里的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)實驗，由此打開了量子通信走向應(yīng)用的大門。

2008年底，潘建偉的科研團隊成功研制了基于誘騙態(tài)的光纖量子通信原型系統(tǒng)，在合肥成功組建了世界上首個3節(jié)點鏈狀光量子電話網(wǎng)，成為國際上報道的絕對安全的實用化量子通信網(wǎng)絡(luò)實驗研究的兩個團隊之一（另一小組為歐洲聯(lián)合實驗團隊）。

2009年9月，潘建偉的科研團隊正是在3節(jié)點鏈狀光量子電話網(wǎng)的基礎(chǔ)上，建成了世界上首個全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，首次實現(xiàn)了實時語音量子保密通信。這一成果在同類產(chǎn)品中位居國際先進水平，標志著中國在城域量子網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)方面已經(jīng)達到了產(chǎn)業(yè)化要求。

全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)是一個5節(jié)點的星型量子通信網(wǎng)絡(luò)，克服了量子信號在商用光纖上傳輸?shù)牟环€(wěn)定性是量子保密通信技術(shù)實用化的主要技術(shù)障礙，首次實現(xiàn)了兩兩用戶間同時進行通信，互不影響。該網(wǎng)絡(luò)用戶間的距離可達20公里，可以覆蓋一個中型城市；容納了互聯(lián)互通和可信中繼兩種重要的量子通信組網(wǎng)方式，并實現(xiàn)了上級用戶對下級用戶的通信授權(quán)管理。

該成果首次全面展示和檢驗了量子通信系統(tǒng)組網(wǎng)和擴展的能力，標志著大規(guī)?？蓴U展網(wǎng)絡(luò)量子通信技術(shù)的成熟，將量子通信實用化和產(chǎn)業(yè)化進程又向前推進了一大步。據(jù)稱，潘建偉團隊將與中國電子科技集團公司第38研究所等機構(gòu)合作，在合肥市及周邊地區(qū)啟動建設(shè)一個40節(jié)點量子通信網(wǎng)絡(luò)示范工程，為量子通信的大規(guī)模應(yīng)用積累工程經(jīng)驗。

一是為了進行遠距離的量子態(tài)隱形傳輸，必須要讓通信的兩地同時具有最大量子糾纏態(tài)。但是，由于環(huán)境噪聲的影響，量子糾纏態(tài)的品質(zhì)會隨著傳送距離的增大而變得越來越差。因此，如何提純高品質(zhì)的量子糾纏態(tài)是量子通信研究中的重要課題。

二是如何實現(xiàn)量子信號的中繼轉(zhuǎn)發(fā)，取得令人滿意的遠距離通信效果。到為止，業(yè)界在光源、信道節(jié)點和接收機等方面還沒有取得圓滿成功，所需的安全性要求沒有保障，可能被竊聽。如何對實際量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)進行攻防測試和安全性升級是運行維護面臨的難題。

三是因為中繼節(jié)點的密鑰存儲和轉(zhuǎn)發(fā)存在漏洞，可能成為整個系統(tǒng)的安全風(fēng)險點。如何解決糾纏態(tài)對信道長度抖動過于敏感、誤碼率隨信道長度增長過快等嚴重問題，也是一個令人頭疼的問題。

量子通信具有很多特點，其中與傳統(tǒng)的通信方式相較，量子通信最大的優(yōu)勢就是絕對安全和高效率性，首先傳統(tǒng)通信方式在安全性方面就有很多缺陷，量子通信會將信息進行加密傳輸，在這個過程中密鑰不是一定的，充滿隨機性，即使被相關(guān)人員截獲，也不容易獲取真實信息，另外量子通信還有較強的抗干擾能力、很好的隱蔽性能、較低的噪音比需要以及廣泛應(yīng)用的可能性。

根據(jù)應(yīng)用途徑，量子通信可分為：量子密碼通信、量子遠程傳態(tài)和量子密集編碼等。按其所傳輸?shù)男畔?nèi)容分為是經(jīng)典通信和量子通信而分為兩類。前者主要傳輸量子密鑰，后者則可用于量子隱形傳態(tài)和量子糾纏的分發(fā)。

量子通信從理論上的定義而言，并沒有一個非常嚴格的標準。在物理學(xué)中可以將其看作是一個物理極限，通過量子效應(yīng)就能實現(xiàn)高性能的通信。而在信息學(xué)中，量子通信是通過量子力學(xué)原理中特有的屬性，來完成相應(yīng)的信息傳遞工作。量子通信同傳統(tǒng)的通信方式相比較，有一些比較突出的特點，例如安全性比較高，還有就是傳輸?shù)倪^程中不容易受到阻礙。當(dāng)量子態(tài)在不被破壞的情況下，在傳輸信息的過程中是不會被竊聽，也不會被復(fù)制的，所以嚴格意義上來看，它是絕對安全的。

光量子通信主要基于量子糾纏態(tài)的理論，使用量子隱形傳態(tài)（傳輸）的方式實現(xiàn)信息傳遞。光量子通信的過程如下：事先構(gòu)建一對具有糾纏態(tài)的粒子，將兩個粒子分別放在通信雙方，將具有未知量子態(tài)的粒子與發(fā)送方的粒子進行聯(lián)合測量（一種操作），則接收方的粒子瞬間發(fā)生坍塌（變化），坍塌（變化）為某種狀態(tài)，這個狀態(tài)與發(fā)送方的粒子坍塌（變化）后的狀態(tài)是對稱的，然后將聯(lián)合測量的信息通過經(jīng)典信道傳送給接收方，接收方根據(jù)接收到的信息對坍塌的粒子進行幺正變換（相當(dāng)于逆轉(zhuǎn)變換），即可得到與發(fā)送方完全相同的未知量子態(tài)。

經(jīng)典通信較光量子通信相比，其安全性和高效性都無法與之相提并論。安全性-量子通信絕不會“泄密”，其一體現(xiàn)在量子加密的密鑰是隨機的，即使被竊取者截獲，也無法得到正確的密鑰，因此無法破解信息；其二，分別在通信雙方手中具有糾纏態(tài)的2個粒子，其中一個粒子的量子態(tài)發(fā)生變化，另外一方的量子態(tài)就會隨之立刻變化，并且根據(jù)量子理論，宏觀的任何觀察和干擾，都會立刻改變量子態(tài)，引起其坍塌，因此竊取者由于干擾而得到的信息已經(jīng)破壞，并非原有信息。高效性，被傳輸?shù)奈粗孔討B(tài)在被測量之前會處于糾纏態(tài)，即同時代表多個狀態(tài)，例如一個量子態(tài)可以同時表示0和1兩個數(shù)字， 7個這樣的量子態(tài)就可以同時表示128個狀態(tài)或128個數(shù)字：0~127。光量子通信的這樣一次傳輸，就相當(dāng)于經(jīng)典通信方式速率的128倍?？梢韵胂笕绻麄鬏攷捠?4位或者更高，那么效率之差將是驚人的。

量子通信國內(nèi)發(fā)展歷程

2005年，中國科技大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室潘建偉教授和他的同事楊濤、彭承志等通過“自由空間糾纏光子的分發(fā)”實驗，在國際上首次證明了糾纏光子在穿透等效于整個大氣層厚度的地面大氣后，糾纏的特性仍然能夠保持，并可應(yīng)用于高效、安全的量子通信。4月22日出版的國際物理學(xué)權(quán)威期刊《物理評論快報》發(fā)表了他們題為《13公里自由空間糾纏光子分發(fā)：朝向基于人造衛(wèi)星的全球化量子通信》的研究論文。《物理評論快報》的審稿人稱，這一成果“有重大的意義”、“是一項相當(dāng)了不起的成就”。

2006年，中國科技大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室在光纖通信中實現(xiàn)了一種抗干擾的量子密碼分配方案，保證了長距離光纖量子通信的安全和質(zhì)量。這一成果日前發(fā)表在剛剛出版的國際物理學(xué)權(quán)威期刊《物理評論快報》上?！胺浅３錾摹?、“具有特殊的價值”，是該雜志審稿人對這一成果的評價。

2008年，在“量子調(diào)控研究”重大科學(xué)研究計劃等的支持下，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室（籌）潘建偉教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組完成了“量子中繼器的實驗實現(xiàn)”，研究成果于8月28日發(fā)表在《自然》上。他們利用冷原子量子存儲技術(shù)在國際上首次實現(xiàn)了具有存儲和讀出功能的糾纏交換，建立了由300米光纖連接的兩個冷原子系綜之間的量子糾纏。這種冷原子系綜之間的量子糾纏可以被讀出并轉(zhuǎn)化為光子糾纏以進行進一步的傳輸和量子操作。該實驗成果實現(xiàn)了長程量子通信中亟須的“量子中繼器”，向未來廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的最終實現(xiàn)邁出了堅實的一步。 由于該項研究工作的重要意義，《自然》雜志專門發(fā)布了題為“量子推動 (Quantum Boost)”的新聞稿，稱贊該工作“掃除了量子通信中的一大絆腳石”。

2012年，潘建偉等人在國際上首次成功實現(xiàn)百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，為發(fā)射全球首顆“量子通訊衛(wèi)星”奠定技術(shù)基礎(chǔ)。國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志8月9日重點介紹了該成果?！霸诟邠p耗的地面成功傳輸100公里，意味著在低損耗的太空傳輸距離將可以達到1000公里以上，基本上解決量子通訊衛(wèi)星的遠距離信息傳輸問題。”研究組成員彭承志介紹說，量子通訊衛(wèi)星核心技術(shù)的突破，也表明未來構(gòu)建全球量子通信網(wǎng)絡(luò)具備技術(shù)可行性。8月9日，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志重點介紹了這一成果，代表其獲得了國際學(xué)術(shù)界的普遍認可?！蹲匀弧冯s志稱其“有望成為遠距離量子通信的里程碑”、“通向全球化量子網(wǎng)絡(luò)”，歐洲物理學(xué)會網(wǎng)站、美國《科學(xué)新聞》雜志等也進行了專題報道。

2015年3月6日，國際權(quán)威物理學(xué)期刊《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 114, 090501 (2015)] 發(fā)表中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)多方量子通信方案，該方案在實用化、遠距離多方量子通信方面邁出了重要的一步。多方量子通信旨在為多用戶保密通信提供基于量子力學(xué)原理的安全性。此前最遠的三光子糾纏態(tài)實驗分發(fā)距離僅為1公里[Nat. Photonics 8, 292 (2014)]，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室量子物理與信息研究部研究組結(jié)合誘騙態(tài)和測量設(shè)備無關(guān)的量子密鑰分發(fā)技術(shù)，提出了一個可以在百公里量級分發(fā)后選擇多光子糾纏態(tài)并進行多方量子通信的實用化方案。

2018年9月，在國家重點研發(fā)計劃量子調(diào)控與量子信息重點專項項目“固態(tài)量子存儲器”的支持下，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李傳鋒團隊在自主研制的高品質(zhì)三維糾纏源的基礎(chǔ)上，進一步制備出偏振-路徑復(fù)合的四維糾纏源，保真度達到98%。利用這種四維糾纏源首次成功識別了五類貝爾態(tài)，并實驗演示了量子密集編碼，一舉把量子密集編碼的信道容量紀錄提升到了2.09，超過了兩維糾纏能達到的理論極限，創(chuàng)造了當(dāng)前國際最高水平。這項工作充分展示了高維糾纏在量子通信中的優(yōu)勢，為高維糾纏在量子信息領(lǐng)域的深入研究打下重要基礎(chǔ)。該成果于7月20日發(fā)表在國際權(quán)威期刊《科學(xué)·進展》上。

2021年1月7日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布中國科研團隊成功實現(xiàn)了跨越4600公里的星地量子密鑰分發(fā)，標志著我國已構(gòu)建出天地一體化廣域量子通信網(wǎng)雛形。

量子通信國際發(fā)展歷程

1984~1992年，第一個量子密碼通信方案提出，即著名的BB84方案。 簡化的 BB84方案提出。并第一次在實驗上原理性演示了量子密鑰分發(fā) 。

1993~2005年，量子密鑰分發(fā)演示性實驗實現(xiàn)100公里以上通信距離，但安全通信距離只有10公 里量級，不具 有實用價值 。

2006~2010年，美國 Los Alamos國家實驗室 一美國國家標準局聯(lián)合實驗組和奧地利的 Zeilinger教授領(lǐng)導(dǎo)的歐 洲聯(lián)合實驗室也使用誘騙態(tài)方案實現(xiàn)了安全距離超過100公里量子密鑰分發(fā)，量子通信得以從實驗室演示開始走向?qū)?用化 。

2013年，美國獨立研究機構(gòu)Battelle公布了環(huán)美量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)項目。計劃采用分段量子密鑰分發(fā)，結(jié)合安全授信節(jié)點進行密碼中繼的方式為谷歌、微軟、 亞馬遜等互聯(lián)網(wǎng)巨頭的數(shù)據(jù)中心之間的通信提供量子安全保障服務(wù)。

量子通信歐洲

2008年發(fā)布了《量子信息處理與通信戰(zhàn)略報告》，提出了歐洲量子通信的分階段發(fā)展目標，包括實現(xiàn)地面量子通信網(wǎng)絡(luò)、星地量子通信、空地一體的千公里級量子通信網(wǎng)絡(luò)等。

2008年9月，歐盟發(fā)布了關(guān)于量子密碼的商業(yè)白 皮書。啟動量子通信技術(shù)標準化研究，并聯(lián)合了來自12個歐盟國41個伙伴小組成立了 “ 基于量子 密碼的安全通信” (SECOQC)工程，這是繼歐洲核子中心和國際空間站后有一大規(guī)模的國際科技 合作項目。同年，該工程在維也納現(xiàn)場演示了一個基于商業(yè)網(wǎng)絡(luò)的包含 6個節(jié)點的量子通信網(wǎng)絡(luò)。歐空局正在與來自歐洲、美洲、澳大利亞和日本的多國科學(xué)家團隊合作開展空間量子實驗，由國際著 名量子物理家、沃爾夫物理學(xué)獎獲得者奧地利的Anton Zeilinger教授領(lǐng)銜，計劃在國際空間站與地面站之間實現(xiàn)遠距離量子通信。

量子通信日本

提出量子信息技術(shù)長期研究戰(zhàn)略，目標年投入2億 美元，規(guī)劃在5~10年內(nèi)建成全國性的高速量子通 信網(wǎng)。日本的國家情報通信研究機構(gòu) (NICT)也啟動了一個長期支持計劃。

日本國立信息通信研究院計劃在 2020年實現(xiàn)量 子中繼，到 2040年建威極限容量、無條件安全 的廣域光纖與自由空間量子通信網(wǎng)絡(luò)。2010年。日本 NICT主導(dǎo)，聯(lián)合當(dāng)時歐洲和日本在量子通 信技術(shù)上開發(fā)水平最高的公司和研究機構(gòu)，在東 京建成了6節(jié)點城域量子通信網(wǎng)絡(luò) “ Tokyo QKD Netword”。東京網(wǎng)在全網(wǎng)演示了視頻通話。并演示網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。

量子通信美國

美國國防部支持的“ 高級研究與發(fā)展活動”(ARDA)計劃到 2014年將量子通信應(yīng)用拓展到衛(wèi)星通信、城域以及遠距離光纖網(wǎng)絡(luò)。國防部高級計劃署 (DARPA)和 Los Alamos國家實驗室于 2009年分別建成了2個多節(jié)點量子通信互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并與空軍合作進行了基于飛機平臺的自由空間量子通信研究。

美國航空航天局 (NASA)正計劃在其總部與噴 氣推進實驗室 (JPL)之間建立一個直線距離 60 公里、光纖皮長1 000公里左右的包含10個骨干節(jié)點的遠距離光纖通信干線，計劃拓展到星地通信量子。

量子通信實用化發(fā)展歷程

2010年7月，合肥城域量子通信試驗示范網(wǎng)正式開工實施。合肥市政府將其作為重大標志性科技工程列為全市自主創(chuàng)新重大專項，省發(fā)改委及省科技廳、合肥市共支持經(jīng)費6000多萬元，努力建成國內(nèi)“首個開工、首個建成、首個使用”的規(guī)?；怯蛄孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，為合肥市進一步提升戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)核心競爭力，搶占未來量子通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點發(fā)揮重要作用。

2012年 2月21日，金融信息量子通信驗證網(wǎng)在北京開通。金融信息量子通信驗證網(wǎng)的開通，是量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)保障金融信息傳輸安全的第一次技術(shù)驗證和典型應(yīng)用示范，對加快建設(shè)國家級金融信息量子通信網(wǎng)、大力提升我國金融信息傳遞的安全性和便捷性，具有十分重要的意義。

2013年11月，濟南量子保密通信試驗網(wǎng)建成投入使用，山東省50個省直機關(guān)事業(yè)單位、金融機構(gòu)實現(xiàn)了語音電話、傳真、文本通信和文件傳輸?shù)攘孔颖Ｃ軅鬏敇I(yè)務(wù)，這是我國第一套實用化的大型量子通信城域網(wǎng)，也是世界上規(guī)模最大、功能最全的量子保密通信試驗網(wǎng)絡(luò)。 濟南量子通信試驗網(wǎng)的建成，標志著量子通信技術(shù)在山東省開始步入實用化階段，有利于促進量子通信產(chǎn)業(yè)鏈的形成，為量子通信技術(shù)在山東省產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。

發(fā)射時間

2016年03月04日，全國政協(xié)委員，中科院院士潘建偉介紹，中國研制的世界首顆量子通信衛(wèi)星也將在2016年七月發(fā)射，從而形成一個天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)。 這是世界首個量子通信衛(wèi)星。

量子通信是指利用量子糾纏效應(yīng)進行信息傳遞的一種新型的通訊方式。量子通訊是近二十年發(fā)展起來的新型交叉學(xué)科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。量子通信主要涉及:量子密碼通信、量子遠程傳態(tài)和量子密集編碼等，近來這門學(xué)科已逐步從理論走向?qū)嶒?，并向?qū)嵱没l(fā)展。高效安全的信息傳輸日益受到人們的關(guān)注?；诹孔恿W(xué)的基本原理，并因此成為國際上量子物理和信息科學(xué)的研究熱點。

2016年8月16日1時40分，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空。這將使我國在世界上首次實現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，構(gòu)建天地一體化的量子保密通信與科學(xué)實驗體系。 2100433B