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　　1月8日，中國科學技術大學潘建偉團隊完成的“多光子糾纏及干涉度量”獲得2015年度國家自然科學一等獎。經“兩會”決議，量子通信與量子計算機被納入“十三五”規(guī)劃綱要，成為未來五年我國計劃實施的十大重點戰(zhàn)略工程及項目之一，量子通信由此成為2016年科技領域最熱門的話題之一。那么，量子通信是什么?又如何應用呢?

　　量子通信的概念與發(fā)展歷程

　　1982年，法國物理學家Alain.Aspect和他的小組通過實驗證實了微觀粒子“量子糾纏”現象確實存在，從而證實了超距作用(愛因斯坦的幽靈)的存在，即任何兩種物質之間，不管距離多遠，都有可能相互影響，不受四維時空的約束。

　　1993年，在量子糾纏理論的基礎上，美國科學家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實現保密通信過程。隨后，一個由6位來自不同國家的科學家組成的物理學國際小組基于量子糾纏理論，提出了利用經典與量子相結合的方式實現量子隱形傳輸的方案。即將某個粒子的未知量子態(tài)傳送到另一個地方，把另一個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，在奧地利留學的中國青年學者潘建偉與荷蘭學者波密斯特等人合作，首次實現了未知量子態(tài)的遠程傳輸。這是國際上首次在實驗上成功地將一個量子態(tài)從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實驗中傳輸的只是表達量子信息的“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家小組宣布，他們首次識別出從地球上空1500公里處的人造衛(wèi)星上反射回地球的單批光子。2012年，中國科學家潘建偉等人在國際上首次成功實現百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，國際權威學術期刊《自然》雜志稱這一成果基本上解決了量子通信衛(wèi)星的遠距離信息傳輸問題，是“遠距離量子通信的里程碑”。

　　我國是世界上量子通信應用最早的國家。2009年5月，中科大在安徽省蕪湖市試運行世界上首個量子政務網。2012年3月，合肥城域量子通信試驗示范網投入使用，該網覆蓋合肥市主城區(qū)，通過6個接入交換和集控站，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關、金融機構、醫(yī)療機構、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建設，該干線全長2000多千米，連接北京與上海，貫穿山東濟南、安徽合肥等地，是千公里級高可信、可擴展的廣域光纖量子通信網絡，預計2016年下半年建成。

　　量子通信的研究方向與應用

　　量子通信技術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、無空間約束”的特點，在原理上絕對安全。但是基于隱形傳態(tài)的量子通信目前只存在概念中，尚無實際應用的例子。國內權威專業(yè)團隊也表示，若無革命性的突破，該技術在近幾十年內都沒有實用化的可能。所以，目前的量子通信通常特指基于量子秘鑰分發(fā)技術的安全保密通信。其通信過程與經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典方式(如光纖、衛(wèi)星等)來進行。在目前以及不遠的將來，量子通信的應用方式主要有以下三種。

　　基于量子光纖。現今已建成的光纖量子城域網和正在建設的2000公里“京滬干線”均采用的是該方式。即專門鋪設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備，讓光量子能夠傳輸得更遠。

　　基于量子衛(wèi)星。當需要進行量子密鑰分發(fā)的距離過大或不具備建設專用光纖線路條件的時候，可以通過專用衛(wèi)星作為中繼進行傳輸。預計在2016年7月發(fā)射的量子衛(wèi)星就將對該方式進行試驗。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成，衛(wèi)星將在中國和歐洲的兩個地面站之間中繼傳輸量子密鑰。項目的首席科學家潘建偉院士表示，如果該試驗成功，中國將發(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絡，2030年建成全球化的廣域量子通信網絡。

　　基于移動量子存儲器。國外研究機構已經研制出手持式量子存儲及加解密設備，用來存儲制備好的量子密鑰。采用這種方式，需要進行保密安全通信的場合，僅需在發(fā)送端和接收端配發(fā)相互糾纏配對的量子密鑰存儲設備，接入通信鏈路，對信息進行加解密處理。加密后的密文可以通過電臺、衛(wèi)星、甚至民用移動通信網絡(移動、聯通、電信等)進行通信。這種方式對于軍隊與國防安全領域具有更重要的意義。

　　對量子通信研究運用的思考

　　量子保密通信在國外均處于實驗室技術研究階段，包括美國在內，沒有進入實際工程應用，這其中的原因值得深思。除中國外，世界上其他研究量子通信的機構和國家都沒有進行大規(guī)模工程應用，包括美國。在美國，早在2003年，DARPA和NIST(美國國家標準局)制造出世界上第一臺QKD(量子密鑰分發(fā))實驗床，此后，公開的信息中再也沒有出現過量子通信方面的進展。這就產生了幾種猜測：一是美國政府將量子通信技術的進展作為核心機密，外界無法獲得與之有關的任何線索;二是美國政府暫未將量子通信技術作為重點發(fā)展對象。關于第一點，我們只能憑借猜測。關于第二點倒是有幾個佐證。眾所周知，美國如果要發(fā)展某項新技術，會在其各類“規(guī)劃”中有所體現，如大數據技術、激光武器技術等。而且，如果要將某項新技術大規(guī)模工程應用，其所做的第一件事情必然是定標準或協議。如當年，DARPA在互聯網領域就是通過定下各種互聯網通用協議，從而確立了美國在信息領域的霸主地位。時至今日，美國依然沒有為量子保密通信定標準的打算，反而投入力量進行后量子加密技術研究。

　　量子保密通信技術從原理上來說是“絕對安全”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證問題。目前我國應用的量子通信主要依靠光纖網絡傳輸密鑰，當距離足夠遠時，需要進行信號中繼。澳大利亞一研究團隊已經研發(fā)出通過信號中繼加入自己信息的技術，可以向目標發(fā)送任何信息，而由于量子通信過程中沒有相應的身份認證過程，目標端無法分辨真?zhèn)巍ｋS著研究的深入，目前的量子保密通信技術肯定會有更多的問題被發(fā)現。

　　量子保密通信在達到核心理論、核心技術、核心元器件三方面完全自主化之前，投入需謹慎。有專家指出，到目前為止，我國量子通信領域的元器件70%~80%依賴進口，做科學試驗沒有問題，但這樣是無法保證其產業(yè)健康發(fā)展的，安全性也有問題。

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