量子通信簡介

量子通信（Quantum Teleportation）是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式。量子通信是20世紀80年代開始發展起來的新型交叉學科，量子密碼通信、量子遠程傳態和量子密集編碼等。這門學科已逐步從理論走向實驗，并向實用化發展。

一、簡介

量子通信又稱量子隱形傳送（Quantum Teleportation），量子通信是由量子態攜帶信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子糾纏原理實現保密通信過程。量子通信是一種全新通信方式，它傳輸的不再是經典信息而是量子態攜帶的量子信息，是未來量子通信網絡的核心要素。

量子隱形傳送所傳輸的是量子信息，它是量子通信最基本的過程。人們基于這個過程提出了實現量子因特網的構想。量子因特網是用量子通道來聯絡許多量子處理器，它可以同時實現量子信息的傳輸和處理。相比于經典因特網，量子因特網具有安全保密特性，可實現多端的分布計算，有效地降低通信復雜度等一系列優點。

量子通信與成熟的通信技術相比，量子通信具有巨大的優越性，具有保密性強、大容量、遠距離傳輸等特點，是21世紀國際量子物理和信息科學的研究熱點。

二、基本原理

量子通信是利用了光子等粒子的量子糾纏原理。量子信息學告訴人們，在微觀世界里，不論兩個粒子間距離多遠，一個粒子的變化都會影響另一個粒子的現象叫量子糾纏，這一現象被愛因斯坦稱為“詭異的互動性”。科學家認為，這是一種“神奇的力量”，可成為具有超級計算能力的量子計算機和量子保密系統的基礎。

量子態的隱形傳輸在沒有任何載體的攜帶下，而只是把一對攜帶信息的糾纏光子分開來，將其一的光子發送到特定的位置，就能準確推測出另一個光子的狀態，從而達到“超時空穿越”的通信方式和“隔空取物”的運輸方式。

量子態隱形傳輸就是遠距離傳輸，是在無比奇特的量子世界里，量子呈現的“糾纏”運動狀態。該狀態的光子如同有“心電感應”，能使需要傳輸的量子態“超時空穿越”，在一個地方神秘消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方瞬間出現。事實上，糾纏的兩個粒子盡管可以在很遠的距離上一個影響另一個，但它們無法傳遞任何信息。以密鑰為例，當雙方共享同一套密鑰時，并沒有發生信息的傳遞雙方無法利用密鑰做任何事情，直到加密的文本傳來，密鑰才有意義傳送加密文本的速度仍然不可能超過光速。相對論沒有失效。量子通信和傳統通信的唯一區別在于，量子通信采用了一種新的密鑰生成方式，而且密鑰不可能被第三方獲取。量子通信并不神奇。

在建立量子態隱形傳輸的基礎上，科學家又疊加上了“后選擇”算法，完成了一種新模型（P-CTCs）。“后選擇”算法能夠確保某一特定類型的量子信息態進行隱形傳輸，而將其他量子信息過濾掉。只有經“后選擇”法認定傳輸前后能自相一致的量子信息態，才有資格得到這種“通行證”，進行隱形傳輸。這種情況下，時間旅行成立的先決條件就是一個自治、不產生矛盾的環境狀態。它允許回到過去時空，但禁止一切可能在未來導致悖論產生的行為。

量子通信系統的基本部件包括量子態發生器、量子通道和量子測量裝置。

按其所傳輸的信息是經典還是量子而分為兩類：前者主要用于量子密鑰的傳輸，后者則可用于量子隱形傳態和量子糾纏的分發。

三、存在問題

有人指出量子密碼可能并非想象中的牢不可破。在2008年，就有瑞典林雪平大學學者拉森和挪威科技大學學者馬卡羅夫分別指出量子通信體系的漏洞。雖然這些并不是量子密碼原理的不完滿，而是系統的不適應，卻也讓人們對未來的量子通信體系留有一些不確定。

而量子力學本身留給人們的不確定性更多。量子糾纏中超越光速的超距作用因違背光速不變原理而難以置信，而量子糾纏的發生機理至今（2012年）仍是未解之謎，量子力學與廣義相對論之間的不相容問題列為當代科學所面臨的四大難題之首。

四、應用狀況

量子通信不僅在軍事、國防等領域具有重要的作用，而且會極大地促進國民經濟的發展。自1993年美國研究人員提出量子通信理論，美國國家科學基金會、國防高級研究計劃局都對此項目進行了深入的研究。瑞士、法國等歐美國家也成立公司進行量子通信的商業研發。

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世紀的戰略項目。

2009年，量子政務網、量子通信網相繼在中國建成。這兩個可投入實際使用的量子通信網絡，標志著原本停留在紙面和實驗室的量子保密通信，已經開始在人們的日常生活中應用。2011年，中國科學院啟動了空間科學戰略性先導科技專項，計劃在2015年左右發射全球首顆“量子通訊衛星”。中國于2011年10月在青海湖首次成功實現了百公里量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發。

量子通信技術將給軍事通信特別是潛艇通信帶來革命性的影響。

參考文獻

[1]GJB72A-2002 量子通信技術.

[2]GJB1387A-2005 實用化量子通信系統及其關鍵技術的研究.

（作者單位：海南三亞92823部隊二中隊）