經(jīng)典通信和量子通信

安全地進(jìn)行信息的傳遞是千百年來人類的夢想之一，而在今日這個(gè)信息技術(shù)飛速進(jìn)步的時(shí)代，安全通信卻幾乎成為海市蜃樓。由于經(jīng)典信息容易被復(fù)制，因此保障通信安全的主要方法就是加密信息，使竊取者即使復(fù)制了加密后的密文也無法讀取原文。

人們已經(jīng)發(fā)展出了各種各樣的經(jīng)典密碼加密算法，它們主要是利用計(jì)算的復(fù)雜性來確保通信安全——竊聽者在沒有解密密鑰的情況下，在有限的時(shí)間內(nèi)無法完成破譯所需的大量計(jì)算。但是這種方法的安全性在理論上缺乏證明——數(shù)學(xué)的不斷進(jìn)步可能使得一些現(xiàn)在看起來無法利用數(shù)學(xué)方法破解的加密解密算法在未來得以破解，因此這種方法遠(yuǎn)不能保證建造“絕對安全”的通信系統(tǒng)，而且在實(shí)際應(yīng)用中也存在著加密和解密效率低下等諸多問題。

更嚴(yán)峻的是，隨著計(jì)算科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，人類所擁有的計(jì)算能力的提升速度和潛力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人們最初的想象，經(jīng)典密碼加密技術(shù)對于通信安全的保障能力也顯得遠(yuǎn)非人們預(yù)先估計(jì)的那么可靠了。尤其是上世紀(jì)70年代以來，量子計(jì)算概念的提出和它的初步實(shí)驗(yàn)演示，更如同經(jīng)典密碼安全性上方高懸的“達(dá)摩克利斯之劍”，隨時(shí)威脅著經(jīng)典通信系統(tǒng)的安全。

量子通信系統(tǒng)的問世，重新點(diǎn)燃了建造“絕對安全”通信系統(tǒng)的希望。根據(jù)量子物理的基本原則，未知“量子”的態(tài)不能被精確地復(fù)制，任何探測它的企圖都會(huì)改變它的狀態(tài)。那么，被某人擁有的“量子態(tài)”，就不能被任何其他人偷窺，因?yàn)榭梢酝ㄟ^檢測“量子態(tài)”是否改變，從而知道是否有人試圖窺測這個(gè)“量子態(tài)”。當(dāng)我們利用“量子態(tài)”來記載我們的經(jīng)典信息時(shí)，這種奇妙的性質(zhì)就可以保證無人再能窺探那些“不能說的秘密”。通向“絕對安全通信”這個(gè)千百年來人類夢想大道的入口，在量子物理的指引下，又重新顯露在視野之中。

量子通信原理

單個(gè)光量子不可分割和量子不可克隆原理這些量子世界的奇特性質(zhì)，可以為我們提供一種新型的安全通信方式，我們稱為量子密鑰分發(fā)、量子保密通信或簡稱量子通信。在量子通信過程中，發(fā)送方和接收方采用單光子的狀態(tài)作為信息載體來建立密鑰。竊聽者可能用三種方法進(jìn)行竊聽。

第一種方法是將單光子分割成兩部分，讓其中一部分繼續(xù)傳送，而對另一部分進(jìn)行狀態(tài)測量獲取密鑰信息。但由于單光子不可分割，因此這是不可能的。

第二種可能的方法是竊聽者可能希望截取單光子后，測量其狀態(tài)，然后根據(jù)測量結(jié)果發(fā)送一個(gè)新光子給接收方。但由于竊聽者不能精確地對光子的狀態(tài)進(jìn)行測量，她/他發(fā)送給接收方的光子的狀態(tài)與其原始狀態(tài)會(huì)存在偏差。

這樣，發(fā)送方和接收方可以利用這個(gè)偏差來探測到竊聽者對光子的測量擾動(dòng)，從而檢驗(yàn)他們之間所建立的密鑰的安全性。第三種可能的方法是竊聽者截取單光子后，通過復(fù)制單光子的狀態(tài)來竊取信息。但按照前面所講的量子不可克隆原理，未知的量子態(tài)不可能被精確復(fù)制。因此，量子通信是基于量子力學(xué)的基本原理，無論是現(xiàn)在還是將來，無論破譯者掌握了多么先進(jìn)的竊聽技術(shù)、多強(qiáng)大的破譯能力，只要量子力學(xué)規(guī)律成立，由量子通信建立起的秘密就無法被破解。

全球首顆量子衛(wèi)星8月16日凌晨發(fā)射

量子通信的發(fā)展歷史與國內(nèi)外現(xiàn)狀

1984年，美國IBM公司的Bennett和加拿大蒙特利爾大學(xué)的Brassard共同提出了第一個(gè)量子密碼通信方案，即著名的BB84方案，標(biāo)志著量子通信領(lǐng)域的誕生。但他們的論文當(dāng)時(shí)發(fā)表在一個(gè)會(huì)議上，因此未能引起廣泛的關(guān)注。

1992年，Bennett提出了簡化的BB84方案（稱為B92方案）并和Bessette合作，第一次實(shí)驗(yàn)上原理性演示了量子密鑰分發(fā)。此后，量子密碼分配開始得到各方的重視。

從1993年到2005年這個(gè)階段，實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展得很快。1995年，中科院物理所吳令安小組在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成了我國最早的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)演示。

2000年，該小組又與中科院研究生院合作利用單模光纖完成了1.1公里的量子密鑰分發(fā)演示實(shí)驗(yàn)。

2002年至2003年間，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)Gisin小組和我國華東師范大學(xué)曾和平小組分別在67公里和50公里光纖中演示了量子密鑰分發(fā)。

2004年，英國劍橋Shields小組和日本NEC公司分別實(shí)現(xiàn)了122公里和150公里的光纖量子密鑰分發(fā)演示性實(shí)驗(yàn)。

2005年，中國科大郭光燦小組在北京和天津之間也實(shí)現(xiàn)了125公里光纖的量子密鑰分發(fā)演示性實(shí)驗(yàn)。

到2005年時(shí)，國際上已經(jīng)有三個(gè)實(shí)驗(yàn)小組聲稱可以將通信距離達(dá)到100公里以上，但是理論研究上的深入，卻表明由于當(dāng)時(shí)普遍使用弱相干光源模擬理論方案中的單光子源，因此當(dāng)時(shí)所有的量子通信實(shí)驗(yàn)實(shí)際都是存在安全隱患的，使得當(dāng)時(shí)的安全通信距離只有10公里量級(jí)，不具有實(shí)用價(jià)值。

2005年，華人科學(xué)家王向斌、羅開廣、馬雄峰和陳凱等共同提出了基于誘騙態(tài)的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)方案，從理論上把安全通信距離大幅度提高到100公里以上。

2006年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)在世界上首次利用誘騙態(tài)方案實(shí)現(xiàn)了安全距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室-美國國家標(biāo)準(zhǔn)局聯(lián)合實(shí)驗(yàn)組和Zeilinger教授領(lǐng)導(dǎo)的歐洲聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室也使用誘騙態(tài)方案實(shí)現(xiàn)了安全距離超過100公里量子密鑰分發(fā)。這三個(gè)實(shí)驗(yàn)同時(shí)發(fā)表在國際著名物理學(xué)期刊《物理評論快報(bào)》上，真正打開了量子通信技術(shù)應(yīng)用的大門，量子通信得以從實(shí)驗(yàn)室演示開始走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化。

廣域量子通信的發(fā)展路線圖

量子通信發(fā)展的前景

經(jīng)過20年的發(fā)展，量子通信技術(shù)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室演示走向產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用化，目前正在朝著高速率、遠(yuǎn)距離、網(wǎng)絡(luò)化的方向快速發(fā)展。由于量子通信是事關(guān)國家信息安全和國防安全的戰(zhàn)略性領(lǐng)域，且有可能改變未來信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展格局，因此成為世界主要發(fā)達(dá)國家如歐盟、美國、日本、瑞士等優(yōu)先發(fā)展的科技和產(chǎn)業(yè)高地。

在歐洲，歐盟于2008年發(fā)布了《量子信息處理與通信戰(zhàn)略報(bào)告》，提出了歐洲量子通信的分階段發(fā)展目標(biāo)，包括實(shí)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(jí)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(dòng)量子通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究，并聯(lián)合了來自12個(gè)歐盟國家的41個(gè)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又一大規(guī)模的國際科技合作。同年，該工程在維也納現(xiàn)場演示了一個(gè)基于商業(yè)網(wǎng)絡(luò)的包含6個(gè)節(jié)點(diǎn)的量子通信網(wǎng)絡(luò)。

2016年4月19日，歐盟委員會(huì)正式宣布計(jì)劃啟動(dòng)總額10億歐元的量子技術(shù)旗艦項(xiàng)目，目標(biāo)是建立極具競爭性的歐洲量子產(chǎn)業(yè)，包括量子通信、量子計(jì)算及量子測量等，以增強(qiáng)歐洲在量子研究方面的科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)力和卓越性，而英國政府早在2015年初就已先期配套約3億英鎊用于支持該量子旗艦項(xiàng)目的啟動(dòng)。

在美國，美國國防部2013-2017年科技發(fā)展“五年計(jì)劃”中，將“量子信息與控制技術(shù)”列為未來重點(diǎn)關(guān)注的六大顛覆性研究領(lǐng)域，同時(shí)將IBM、美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃署（DARPA）、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、美國洛克希德馬丁公司和日本NTT公司列為該領(lǐng)域的重要研究機(jī)構(gòu)；美國國防部支持的“高級(jí)研究與發(fā)展活動(dòng)”(ARDA)計(jì)劃到2014年將量子通信應(yīng)用拓展到衛(wèi)星通信、城域以及長距離光纖網(wǎng)絡(luò)。國防部高級(jí)研究計(jì)劃署（DARPA）和Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室于2009年分別建成了兩個(gè)多節(jié)點(diǎn)量子通信互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并與空軍合作進(jìn)行了基于飛機(jī)平臺(tái)的自由空間量子通信研究。

2014年，美國航空航天局（NASA）正式提出了在其總部與噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）之間建立一個(gè)直線距離600公里、光纖皮長一千公里左右的包含十個(gè)骨干節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離光纖量子通信干線的計(jì)劃，并計(jì)劃拓展到星地量子通信。同年，全球最大的獨(dú)立科技研發(fā)機(jī)構(gòu)美國Battelle公司提出了商業(yè)化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，計(jì)劃建造環(huán)美國的萬公里量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)，為谷歌、IBM、微軟、亞馬遜等公司的數(shù)據(jù)中心之間提供量子通信服務(wù)。

日本也提出了量子信息技術(shù)長期研究戰(zhàn)略，目前年投入2億美元，規(guī)劃在5至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(bào)通信研究機(jī)構(gòu)（NICT）也啟動(dòng)了一個(gè)長期支持計(jì)劃。日本國立信息通信研究院計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)量子中繼，到2040 年建成極限容量、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(shí)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(jī)構(gòu)，在東京建成了6節(jié)點(diǎn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)“Tokyo QKD Network”。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。

我國政府也高度重視量子通信技術(shù)的發(fā)展，積極應(yīng)對激烈的國際競爭。近年來，在中科院、科技部、基金委等部門以及有關(guān)國防部門的大力支持下，我國科學(xué)家在發(fā)展可實(shí)用量子通信技術(shù)方面開展了系統(tǒng)性的深入研究，在產(chǎn)業(yè)化預(yù)備方面一直處于國際領(lǐng)先水平。

2006年，潘建偉團(tuán)隊(duì)在有關(guān)國防部門的要求下開始開展量子通信裝備預(yù)先研究項(xiàng)目。

2008年，該團(tuán)隊(duì)在合肥市實(shí)現(xiàn)了國際上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，并利用該成果為60周年國慶閱兵關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)間構(gòu)建了“量子通信熱線”，為重要信息的安全傳送提供了保障。

2009年，該團(tuán)隊(duì)又在世界上率先將采用誘騙態(tài)方案的量子通信距離突破至200公里。

2011年起，潘建偉團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了首個(gè)相關(guān)國防裝備演示驗(yàn)證項(xiàng)目，為型號(hào)研制和最終裝備奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2012年，該團(tuán)隊(duì)在合肥市建成了世界上首個(gè)覆蓋整個(gè)合肥城區(qū)的規(guī)模化（46個(gè)節(jié)點(diǎn)）量子通信網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)志著大容量的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)成熟。同年，該團(tuán)隊(duì)與新華社合作建設(shè)了“金融信息量子通信驗(yàn)證網(wǎng)”，在國際上首次將量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于金融信息的安全傳輸。

2012年底起，潘建偉團(tuán)隊(duì)的最新型量子通信裝備在北京投入常態(tài)運(yùn)行，為“十八大”、 紀(jì)念抗戰(zhàn)勝利70周年閱兵等國家重大活動(dòng)提供信息安全保障。

2013年，潘建偉團(tuán)隊(duì)又在核心量子通信器件研究上取得重要突破，他們成功開發(fā)了國際上迄今為止最先進(jìn)的室溫通信波段單光子探測器，并利用該單光子探測器在國際上首次實(shí)現(xiàn)了測量器件無關(guān)的量子通信，成功解決了現(xiàn)實(shí)環(huán)境中單光子探測系統(tǒng)易被黑客攻擊的安全隱患，大大提高了現(xiàn)實(shí)條件下量子通信系統(tǒng)的安全性。

潘建偉團(tuán)隊(duì)在基于量子存儲(chǔ)的量子中繼研究方面處于國際領(lǐng)先地位。量子中繼器的核心在于量子存儲(chǔ)，一直以來都是重大的挑戰(zhàn)。沒有量子存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)量子通信的成本將隨通道長度指數(shù)增加。

2001年，結(jié)合線性光學(xué)和原子系綜，旅美學(xué)者段路明及其同事建議了一個(gè)實(shí)現(xiàn)量子中繼器實(shí)現(xiàn)方案（DLCZ方案），但是該方案難以在現(xiàn)實(shí)通信環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。

為了克服相關(guān)的缺陷，2006年潘建偉團(tuán)隊(duì)又提出了一種容錯(cuò)的量子中繼器方案（哈佛大學(xué)的Lukin小組也獨(dú)立地提出了類似的理論方案），忠實(shí)地給出了原始的量子中繼器的一個(gè)物理實(shí)現(xiàn)方法。基于這些方案，國際上有多個(gè)實(shí)驗(yàn)小組先后開展了原子系綜相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，如哈佛大學(xué)的Lukin小組、加州理工學(xué)院的Kimble小組、喬治亞理工學(xué)院的Kuzmich小組、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和德國海德堡大學(xué)的潘建偉聯(lián)合小組等。這方面的研究已取得了一系列激動(dòng)人心的進(jìn)展，包括實(shí)現(xiàn)了可控的單光子源、單光子的讀出和異地存儲(chǔ)、光子－原子系綜糾纏等。

2008年，潘建偉團(tuán)隊(duì)利用冷原子量子存儲(chǔ)首次實(shí)現(xiàn)了具有存儲(chǔ)和讀出功能的糾纏交換，完美演示了量子中繼器。

2009年，該團(tuán)隊(duì)又將量子存儲(chǔ)的時(shí)間提高到毫秒量級(jí)，較之前最好的結(jié)果提高了兩個(gè)量級(jí)。

2012年，該團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了3.2毫秒的存儲(chǔ)壽命及73%的讀出效率的量子存儲(chǔ)，為當(dāng)時(shí)國際上量子存儲(chǔ)綜合性能指標(biāo)最好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；最近，該團(tuán)隊(duì)又實(shí)現(xiàn)了220毫秒的存儲(chǔ)壽命及76%的讀出效率的量子存儲(chǔ)，已可滿足600公里量子中繼的需求。

潘建偉團(tuán)隊(duì)還是國內(nèi)唯一領(lǐng)銜開展自由空間（星-地）量子通信實(shí)驗(yàn)研究的團(tuán)隊(duì)。

2005年，該團(tuán)隊(duì)在國際上首次在相距13公里的兩個(gè)地面目標(biāo)之間實(shí)現(xiàn)了自由空間中的糾纏分發(fā)和量子通信實(shí)驗(yàn)，明確表明光量子信號(hào)可以穿透等效厚度約10公里的大氣層實(shí)現(xiàn)地面站和衛(wèi)星之間自由空間保密量子通信。

2007年，該團(tuán)隊(duì)在長城實(shí)現(xiàn)了16公里水平高損耗大氣信道的量子態(tài)隱形傳輸，這是國際第一個(gè)遠(yuǎn)距離自由空間隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了四個(gè)Bell態(tài)的完全測量和主動(dòng)幺正變換。這一實(shí)驗(yàn)和基于衛(wèi)星平臺(tái)的量子通信實(shí)驗(yàn)研究一起，為真正實(shí)現(xiàn)地面與衛(wèi)星間的量子通信實(shí)驗(yàn)積累了相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

2008年，該團(tuán)隊(duì)在上海天文臺(tái)對高度為400公里的低軌衛(wèi)星進(jìn)行了星地量子信道傳輸特性試驗(yàn)，驗(yàn)證了星-地量子信道的傳輸特性，首次完成星-地單光子發(fā)射和接收實(shí)驗(yàn)。

2012年至2013年間，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了百公里自由空間量子態(tài)隱形傳輸和糾纏分發(fā)，并實(shí)現(xiàn)了星地量子通信可行性的全方位地面驗(yàn)證。這些研究工作通過地基實(shí)驗(yàn)堅(jiān)實(shí)地證明了實(shí)現(xiàn)基于衛(wèi)星的全球量子通信網(wǎng)絡(luò)和開展空間尺度量子力學(xué)基礎(chǔ)檢驗(yàn)的可行性。

正如習(xí)近平總書記2013年7月17日在中國科學(xué)院考察工作時(shí)發(fā)表的重要講話中指出的：“量子通信已經(jīng)開始走向?qū)嵱没@將從根本上解決通信安全問題，同時(shí)將形成新興通信產(chǎn)業(yè)?！?/p>

2013年，千公里光纖量子通信骨干網(wǎng)工程“京滬干線”正式立項(xiàng)，將于2016年下半年建成連接北京、上海，貫穿濟(jì)南、合肥等地的千公里級(jí)高可信、可擴(kuò)展、軍民融合的廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，建成大尺度量子通信技術(shù)驗(yàn)證、應(yīng)用研究和應(yīng)用示范平臺(tái)，推動(dòng)量子通信技術(shù)在國防、政務(wù)、金融等領(lǐng)域的應(yīng)用，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”也將于2016年7月發(fā)射，將在國際上率先實(shí)現(xiàn)高速的星地量子通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建我國的廣域量子通信體系，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)空間尺度量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)，探索對廣義相對論、量子引力等基本理論的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。英國《自然》雜志在其專門報(bào)道潘建偉團(tuán)隊(duì)量子通信工作的長篇新聞特稿“量子太空競賽”中指出：“在量子通信領(lǐng)域，中國用了不到十年的時(shí)間，由一個(gè)不起眼的國家發(fā)展成為現(xiàn)在的世界勁旅；中國將領(lǐng)先于歐洲和北美……”。

量子通信正在經(jīng)歷著從基礎(chǔ)研究向應(yīng)用技術(shù)轉(zhuǎn)化的進(jìn)程。電子信息產(chǎn)業(yè)界的巨型集團(tuán)，例如IBM、AT&T、Bell實(shí)驗(yàn)室、英國電話電報(bào)公司、德國西門子公司等都紛紛投入量子通信的產(chǎn)業(yè)化研究中。未來，隨著量子通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，作為保障未來信息社會(huì)通信安全的關(guān)鍵技術(shù)，量子密碼極有可能會(huì)進(jìn)入千家萬戶，服務(wù)于大眾，成為電子政務(wù)、電子商務(wù)、電子醫(yī)療、生物特征傳輸和智能傳輸系統(tǒng)等各種電子服務(wù)的驅(qū)動(dòng)器，為當(dāng)今這個(gè)高度信息化的社會(huì)提供基礎(chǔ)的安全服務(wù)和最可靠的安全保障。

（編輯：潘妮 余寒靜）