隨著當(dāng)今世界信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)即將達(dá)到物理極限，而以量子效應(yīng)為基礎(chǔ)的量子通信，則正在逐步成為引領(lǐng)未來科技發(fā)展的重要領(lǐng)域，即將開啟一次新的技術(shù)革命。量子通信是一種利用量子力學(xué)基本原理、量子系統(tǒng)特有屬性以及量子測(cè)量方法來實(shí)現(xiàn)信息傳遞的通信技術(shù)。目前量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等技術(shù)。近來這門學(xué)科已逐步從理論走向?qū)嶒?yàn)，并向?qū)嵱没粩喟l(fā)展。由于高效率和絕對(duì)安全等特點(diǎn)，量子通信已成為國(guó)際上量子物理和信息科學(xué)的研究熱點(diǎn)。

奇妙的量子現(xiàn)象

眾所周知，人類的科技革命都得益于對(duì)客觀世界認(rèn)知的進(jìn)步，如第二次科技革命就是基于19世紀(jì)初電磁學(xué)領(lǐng)域的一系列重要發(fā)現(xiàn)。同樣，量子通信技術(shù)的快速發(fā)展正是基于20世紀(jì)眾多科學(xué)家對(duì)量子領(lǐng)域的不斷開拓。對(duì)量子通信來說最重要的兩個(gè)理論基礎(chǔ)便是不確定性原理和不可克隆原理。

在微觀領(lǐng)域中，某些物理量的變化是以最小的基本單位跳躍式進(jìn)行的，并不是連續(xù)的，這個(gè)最小的基本單位叫做量子，如原子、電子、光子等。一個(gè)世紀(jì)以來，人類對(duì)量子的研究已經(jīng)逐漸形成了一門重要的學(xué)科——量子力學(xué)。

1927年德國(guó)著名科學(xué)家海森伯提出了量子力學(xué)的不確定性原理，它表明：一個(gè)量子的某些物理量（如位置和動(dòng)量，或方位角與動(dòng)量矩，還有時(shí)間和能量等），不可能同時(shí)具有確定的數(shù)值，其中一個(gè)量越確定，另一個(gè)量的不確定程度就越大。測(cè)量一對(duì)共軛量的誤差（標(biāo)準(zhǔn)差）的乘積必然大于常數(shù)h/2π（h是普朗克常數(shù)）。它反映了微觀粒子運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律。

而量子的不可克隆則是另一條量子力學(xué)的基本原理：量子被認(rèn)為是不可復(fù)制的。如果一枚旋轉(zhuǎn)著的硬幣是量子世界中一個(gè)物體，一旦你要復(fù)制它，勢(shì)必要對(duì)它進(jìn)行測(cè)量，這種外來的行為就會(huì)改變它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。也就是說，任意量子的狀態(tài)，在受到復(fù)制或測(cè)量時(shí)，都會(huì)發(fā)生變化。換個(gè)角度說，量子一旦被測(cè)量過，就不再是原來的那個(gè)量子了。

原子

分子

光子

以上是物理量的基本單元

在量子力學(xué)中存在著另一重要的奇特現(xiàn)象——糾纏效應(yīng)。在量子物理中，有共同來源的兩個(gè)微觀粒子之間存在著某種糾纏關(guān)系，不管它們被分開多遠(yuǎn)，只要一個(gè)粒子發(fā)生變化就能立即影響到另外一個(gè)粒子，即兩個(gè)處于糾纏態(tài)的粒子無論相距多遠(yuǎn)，都能“感知”和影響對(duì)方的狀態(tài)，這就是量子糾纏現(xiàn)象。

盡管愛因斯坦最早注意到微觀世界中這一現(xiàn)象的存在，但卻不愿意接受它，并斥之為“幽靈般的超距作用”。他認(rèn)為宇宙的組成部分是相互獨(dú)立的，它們之間的相互作用受到了時(shí)空的限制，是定域性的。為此，愛因斯坦與另一位科學(xué)巨人玻爾，在量子力學(xué)的物理詮釋以及相與俱來的科學(xué)哲學(xué)問題上展開了激烈交鋒，史稱“關(guān)于物理學(xué)靈魂的論戰(zhàn)”。以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派認(rèn)為任何兩個(gè)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，是非定域的，宇宙在冥冥之中存在深層次的內(nèi)在聯(lián)系。這場(chǎng)深刻的科學(xué)和哲學(xué)問題爭(zhēng)論一直持續(xù)了很多年，成為了科學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)重大事件。

為支持玻爾的理論，物理學(xué)家貝爾在1964年提出了著名的貝爾不等式，以論證量子物理必須違背定域性原理。近些年來，貝爾不等式已通過了各種各樣的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)果符合量子力學(xué)理論的預(yù)測(cè)，并且顯示某些量子效應(yīng)貌似能夠以超光速行進(jìn)。主流量子力學(xué)教科書也已將貝爾定理視為基礎(chǔ)物理定理。在1982年，法國(guó)物理學(xué)家阿斯佩（A. Aspect）和他的小組成功地完成了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了微觀粒子“量子糾纏”的現(xiàn)象確實(shí)存在。

不可破譯的量子密鑰

隨著信息技術(shù)的持續(xù)、快速發(fā)展，人們已經(jīng)越來越多地依賴通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行工作和生活，大量敏感信息需要通過通信網(wǎng)絡(luò)傳播，人們需要對(duì)自己的信息進(jìn)行保護(hù)以免被竊取或篡改，密碼學(xué)為人們提供了此類的保證。然而當(dāng)前普遍使用的以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的密碼體制始終存在著被破譯的風(fēng)險(xiǎn)。隨著密碼學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家們提出了量子密碼的概念，并把它成功地應(yīng)用于通信系統(tǒng)中。與以往的密碼體制不同，量子密碼以量子力學(xué)中的不確定性原理和不可克隆原理為基礎(chǔ)，用量子狀態(tài)來作為信息加密和解密的密鑰——量子密鑰。量子通信過程中如果存在竊聽或者對(duì)信息的復(fù)制，就是一種測(cè)量行為。通過這兩個(gè)量子力學(xué)的基本原理可知，竊聽者永遠(yuǎn)無法測(cè)得量子體系的全部信息并獲得復(fù)制品，也無法掩蓋竊聽行為的存在。因此從理論上講，量子通信是絕對(duì)安全的。

愛因斯坦與玻爾關(guān)于“物理學(xué)靈魂”的論戰(zhàn)玻爾所代表的哥本哈根學(xué)派認(rèn)為世界任何物質(zhì)的存在都是一種概率，比如一個(gè)量子可以以一定概率處于任何狀態(tài)，對(duì)其測(cè)量導(dǎo)致了概率的塌縮。測(cè)量就像擲骰子一樣，測(cè)量的結(jié)果什么可能都有，但又有一定概率。愛因斯坦所代表的經(jīng)典學(xué)派則認(rèn)為，我們的世界是一種客觀存在，是確定的，并不應(yīng)該是一種概率，他認(rèn)為“上帝是不會(huì)擲骰子的”。從某種意義上來說這張圖表達(dá)了兩種思想的矛盾。

在以量子糾纏效應(yīng)為基礎(chǔ)的量子通信中，科學(xué)家們巧妙地利用了量子糾纏現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)了密鑰的制作，即通信雙方密碼本的制備。在正式通信前，通信雙方事先儲(chǔ)備了大量的糾纏粒子對(duì)。當(dāng)通信一方對(duì)自己這邊的糾纏粒子進(jìn)行一定操作時(shí)，通信另一端處于糾纏狀態(tài)的粒子就會(huì)有相應(yīng)的反應(yīng)，通信雙方便可以利用這種“感知”，建立起默契，制作出通信所需的密鑰。

另一種產(chǎn)生量子密鑰的方法，則是被稱作BB84的方案。兩位科學(xué)家貝內(nèi)特（C. H. Bennett）和布拉薩德（G. Brassard）在威斯納（S. Wiesner）的電子鈔票啟發(fā)下，于1984年提出了這個(gè)量子密碼分配協(xié)議，后來被命名為BB84方案。該分配方案利用單個(gè)光子來攜帶一個(gè)比特的信息，根據(jù)量子的不可分割性，這一個(gè)比特的信息也是不可分的，也就無法用分流信號(hào)的辦法來竊聽。而光子的多個(gè)物理量都可以用來攜帶這一個(gè)比特的信息，例如光子的偏振態(tài)。每個(gè)光子都有一個(gè)偏振方向，且光子的線偏振和圓偏振又不可同時(shí)測(cè)量，這樣便可以有效地利用不確定性及不可克隆原理來實(shí)現(xiàn)密鑰分配。

BB84方案為兩個(gè)遙遠(yuǎn)的用戶之間建立無條件安全的量子密鑰提供了一個(gè)強(qiáng)有力的途徑。然而在實(shí)際應(yīng)用中，理想的單個(gè)光子尚未實(shí)用化?，F(xiàn)在量子密鑰分配方案中常見的光源為激光光源，其量子態(tài)為相干態(tài)——多個(gè)光子具有相同的量子態(tài)。如果采用含有多光子的光源進(jìn)行密鑰分發(fā)，將會(huì)存在安全性隱患。竊聽者可以采用光子數(shù)分離攻擊的方法來威脅密碼的安全性。竊聽者可以對(duì)通信一方發(fā)射的光子數(shù)進(jìn)行測(cè)量，如果光子數(shù)等于1，則吸收該光子；如果光子數(shù)大于1，竊聽者則從中分離一個(gè)光子給自己，再將剩余的光子發(fā)射給通信接收一方，從而實(shí)現(xiàn)竊聽。誘騙態(tài)量子密碼方案，則是用于抵抗這種分束攻擊的有效方法。其基本原理是發(fā)送方隨機(jī)地使用兩個(gè)波長(zhǎng)、線寬等物理常數(shù)都相同，只有強(qiáng)度不同的弱相干態(tài)光源。其中一個(gè)稱為信號(hào)態(tài)，用于量子密鑰分配，另一個(gè)稱為誘騙態(tài)，用于探測(cè)竊聽者的存在，由于兩個(gè)態(tài)的比例是確定的，一旦有人進(jìn)行光子數(shù)分離攻擊，兩個(gè)態(tài)的比例就會(huì)發(fā)生變化，從而發(fā)現(xiàn)被竊聽。這種方法在量子通信的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)通信信道安全的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而保證了安全。

量子通信的實(shí)現(xiàn)歷程

量子通信可有效對(duì)抗竊聽行為

通過BB84方案或是量子糾纏效應(yīng)，通信雙方就可以獲得用于對(duì)通信信息進(jìn)行加密的密鑰。由于環(huán)境噪聲和竊聽者的存在，量子通信還需要量子傳輸、數(shù)據(jù)篩選、數(shù)據(jù)糾錯(cuò)、保密增強(qiáng)四個(gè)過程。

通常一個(gè)典型的量子通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可以大致這樣描述：發(fā)送者制備需要傳遞的明文，使用通過量子密鑰分配（或者其他的方法）獲得的密鑰加密明文，獲得編碼后的密文。密文經(jīng)通信介質(zhì)發(fā)送給接收者。接收者通過探測(cè)接收到密文后，利用此前獲得的密鑰進(jìn)行解密，得到明文，最后解碼獲得相關(guān)信息。依此便可實(shí)現(xiàn)量子通信。

可以利用量子糾纏產(chǎn)生通信密鑰

為了讓量子通信從理論走到現(xiàn)實(shí)，從２0世紀(jì)末開始，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家做了大量的研究工作。自1993年美國(guó)IBM公司的研究人員提出量子通信理論以來，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃署都對(duì)此項(xiàng)目進(jìn)行了深入的研究；歐盟在1999年開始集中國(guó)際力量致力于量子通信的研究，研究項(xiàng)目已多達(dá)12個(gè)；日本郵政省更是把量子通信作為21世紀(jì)的戰(zhàn)略項(xiàng)目；我國(guó)從1980年代開始從事量子光學(xué)領(lǐng)域的研究，近幾年來，中國(guó)科技大學(xué)的量子研究小組在量子通信方面也已取得了突出的成績(jī)。

2002年10月5日，德國(guó)慕尼黑大學(xué)和英國(guó)軍方下屬的研究機(jī)構(gòu)合作，在德國(guó)和奧地利邊境相距23.4公里的楚格峰和卡爾文德爾峰之間用激光成功傳輸了光子密鑰。

2003年，韓國(guó)、中國(guó)、加拿大等國(guó)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(shí)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(yán)重下降的問題。

2004年6月3日，美國(guó)BBN技術(shù)公司建立了6節(jié)點(diǎn)量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)。

2006年夏,中國(guó)科技大學(xué)量子研究小組、美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(dú)立實(shí)現(xiàn)了誘騙態(tài)方案，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超過100公里的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，由此打開了量子通信走向應(yīng)用的大門。

2008年年底，我國(guó)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(gè)3節(jié)點(diǎn)鏈狀光量子電話網(wǎng)，成為國(guó)際上報(bào)道的絕對(duì)安全的實(shí)用化量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)研究的兩個(gè)團(tuán)隊(duì)之一。

2009年9月，我國(guó)又在3節(jié)點(diǎn)鏈狀光量子電話網(wǎng)的基礎(chǔ)上，建成了世界上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，首次實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)語音量子保密通信。這一成果在同類產(chǎn)品中位居國(guó)際先進(jìn)水平，標(biāo)志著中國(guó)在城域量子網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)方面已經(jīng)達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化要求。

2010年9月，中國(guó)科技大學(xué)、中科院上海技術(shù)物理研究所、中科院光電研究所等量子通信研究團(tuán)隊(duì)強(qiáng)強(qiáng)合作，在青海湖畔實(shí)現(xiàn)了世界上首次浮空平臺(tái)和衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)模擬的量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)，這也標(biāo)志我國(guó)已突破了建立星地量子通信的關(guān)鍵技術(shù)，為將來實(shí)現(xiàn)全球量子通信網(wǎng)絡(luò)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

星地量子通信的“中國(guó)夢(mèng)”

目前，量子通信系統(tǒng)的應(yīng)用研究基于傳輸介質(zhì)的不同主要有兩種，即光纖和自由空間的量子通信。

以光纖為依托，融激光技術(shù)、光纖技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等為一體的，以交互方式傳遞信息數(shù)據(jù)的“信息高速公路”已經(jīng)廣泛使用，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，這些都為進(jìn)行基于光纖的量子通信提供了有利條件。如今光纖量子通信的研究成果已經(jīng)接近于實(shí)際應(yīng)用，可以預(yù)見在最近幾年內(nèi)光纖量子通信系統(tǒng)就能夠應(yīng)用于實(shí)際的保密通信中。但是由于地球曲率的影響和光纖損耗的增加，在地面實(shí)施遠(yuǎn)距離量子通信很困難，如光纖中的光子衰減問題，使得糾纏態(tài)的兩點(diǎn)之間距離最多只有100公里。而光子在自由空間中傳輸可大大突破這種傳輸距離限制，因此星地量子通信成為一種更好的選擇。

星地自由空間的量子通信

要在浩瀚的宇宙中實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面之間的量子通信，首先要通過一個(gè)捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)（acquisition tracking and pointing, ATP）系統(tǒng)建立起量子密鑰分配所需的通信信道。而為星地激光通信發(fā)展起來的光學(xué)定位、探測(cè)和跟蹤等技術(shù)為此提供了技術(shù)上的支持。密鑰分配的通信鏈路建立之后，通信系統(tǒng)利用單光子偏振態(tài)加載信息，根據(jù)相應(yīng)的量子密鑰分配協(xié)議，便可在通信兩端產(chǎn)生絕對(duì)安全、無法竊聽的共享密鑰。明文以此密鑰加載，就可以通過經(jīng)典信道進(jìn)行傳輸，從而實(shí)現(xiàn)星地間的量子通信。通過衛(wèi)星這個(gè)載體，不但能夠?qū)崿F(xiàn)星地的量子通信，而且能夠?qū)崿F(xiàn)全球任意點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的量子通信。

為應(yīng)對(duì)自由空間量子通信領(lǐng)域內(nèi)激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，中國(guó)科學(xué)院于2008年啟動(dòng)了知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目——空間尺度量子實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)研究與驗(yàn)證試驗(yàn)。在此后的5年時(shí)間里，整個(gè)科研團(tuán)隊(duì)在潘建偉院士領(lǐng)導(dǎo)下，經(jīng)過不懈努力，已經(jīng)取得了多項(xiàng)重要進(jìn)展。如：成功研制了星載量子通信所需的ATP系統(tǒng)樣機(jī)，提出了完整的星地量子通信系統(tǒng)方案，攻克了星地量子通信的核心關(guān)鍵技術(shù)，并在美麗的青海湖畔順利完成了世界上首次浮空平臺(tái)量子密鑰分發(fā)試驗(yàn)、百公里雙向量子糾纏分發(fā)試驗(yàn)、百公里量子隱形傳態(tài)試驗(yàn)等。在項(xiàng)目執(zhí)行期間，研究團(tuán)隊(duì)共發(fā)表論文幾十篇，其中多篇論文發(fā)布在《自然》周刊或其子刊、《美國(guó)科學(xué)院院刊》、 《物理評(píng)論快報(bào)》等國(guó)際性學(xué)術(shù)刊物上。更為重要的是該項(xiàng)目為我國(guó)在空間量子通信領(lǐng)域培養(yǎng)了一支優(yōu)秀而且年輕的隊(duì)伍，為我國(guó)在該領(lǐng)域內(nèi)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展和保持國(guó)際領(lǐng)先地位奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

縱觀世界，現(xiàn)在已有多個(gè)國(guó)家開展了將量子通信應(yīng)用于衛(wèi)星平臺(tái)的計(jì)劃，我們國(guó)家對(duì)此也是雄心勃勃，中國(guó)科學(xué)院抓住機(jī)遇，開始實(shí)施量子科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃。目前計(jì)劃在2016年左右，以我們國(guó)家為主導(dǎo)發(fā)射一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，能夠?qū)崿F(xiàn)從北京到新疆，乃至國(guó)際上其他站點(diǎn)之間的量子通信網(wǎng)絡(luò)。這也是中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)中首批確定的五顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星之一，該項(xiàng)目能夠提供一個(gè)衛(wèi)星與地面間遠(yuǎn)距離量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)，并在此平臺(tái)上完成空間大尺度量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

回顧我國(guó)科研工作者在量子通信領(lǐng)域內(nèi)的多年付出，可以欣慰地看到中國(guó)正在該領(lǐng)域悄然崛起。正如《自然》周刊的評(píng)論：“中國(guó)在量子通信領(lǐng)域內(nèi)，已從十年前不起眼的國(guó)家發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，并將領(lǐng)先于歐洲和北美?！币?yàn)闅v史上的種種原因，中國(guó)已經(jīng)錯(cuò)失了前四次科技革命帶來的機(jī)遇，在第五次科技革命中，中國(guó)也只是一個(gè)跟蹤者，而且是一個(gè)沒有取得優(yōu)良成績(jī)的跟蹤者。面對(duì)即將到來的新變革，我輩自當(dāng)奮發(fā)圖強(qiáng)，抓住機(jī)遇實(shí)現(xiàn)宏偉的“中國(guó)夢(mèng)”，在歷史上寫下屬于自己的華麗篇章，真正實(shí)現(xiàn)跨越式的發(fā)展，讓光子舞動(dòng)于廣袤的宇宙空間。