量子通信技術(shù)的原理和進展

孟穎 呂超 王加安 張冠陽 陳浩

【摘要】 量子通信是經(jīng)典通信與量子力學(xué)交叉結(jié)合所形成的一門新興學(xué)科。本文概括了量子通信的基本概念及其主要技術(shù)量子秘鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)的基本原理。同時介紹了量子通信在世界范圍內(nèi)的研究進展和發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】 量子通信 量子秘鑰分發(fā) 量子隱形傳態(tài)

一、前言

量子通信是量子信息技術(shù)的主要組成部分，它具有絕對保密，通信容量大，傳輸速度快等優(yōu)點，可以完成經(jīng)典通信所不能完成的特殊任務(wù)。量子通信可以利用無法破譯的秘鑰系統(tǒng)，實現(xiàn)真正意義上的保密通信，因此量子通信成為當(dāng)今世界關(guān)注的科技前沿。量子通信是以量子態(tài)作為信息元實現(xiàn)對信息的有效傳送。它是繼電話和光通信之后通信史上的又一次革命。

二、量子通信的主要組成部分

2.1量子秘鑰分發(fā)

量子秘鑰分發(fā)不是用于傳送保密內(nèi)容，而是在于建立和傳輸密碼本，即在保密通信雙方分配秘鑰，俗稱量子密碼通信[1]。

1984年，美國的Bennett和加拿大的Brassart提出著明的BB84協(xié)議，即用量子比特作為信息載體，利用光的偏振特性對量子態(tài)進行編碼，實現(xiàn)對秘鑰的產(chǎn)生和安全分發(fā)。1992年， Bennett提出了基于兩個非正交量子態(tài)，流程簡單，效率折半的B92協(xié)議。這兩種量子秘鑰分發(fā)方案都是建立在一組或多組正交及非正交的單量子態(tài)上。1991年，英國的Ekert提出了基于兩粒子最大糾纏態(tài)，即EPR對的E91方案。

1998年，又有人提出了在三組共軛基上進行偏振選擇的六態(tài)方案量子通信，它是由BB84協(xié)議中的四種偏振態(tài)和左右旋組成。BB84協(xié)議被證明是迄今為止無人攻破的安全秘鑰分發(fā)方式，量子測不準(zhǔn)原理和量子不可克隆原理，保證了它的無條件安全性。EPR協(xié)議具有重要的理論價值，它將量子糾纏態(tài)與量子保密通信聯(lián)系起來，為量子保密通信開辟了新途徑。

2.2量子隱形傳態(tài)

1993年由Bennett等6國科學(xué)家提出的量子隱形傳態(tài)理論是一種純量子傳輸方式，利用兩粒子最大糾纏態(tài)建立信道來傳送未知量子態(tài)，隱形傳態(tài)的成功率必定會達到100%[2]。

199年，奧地利的A.Zeilinger小組在室內(nèi)首次完成量子隱形態(tài)傳輸?shù)脑硇詫嶒烌炞C。在不少影片中常出現(xiàn)如此的情節(jié)：一個在某處突然消失的神秘人物突然出現(xiàn)在另一處。由于量子隱形傳態(tài)違背了量子力學(xué)中的量子不可克隆原理和海森堡不確定原理，因此它在經(jīng)典通信中只不過是一種科幻而已。

然而量子通信中引入了量子糾纏這一特殊概念，將原物未知量子態(tài)信息分成量子信息和經(jīng)典信息兩部分，使得這種不可思議的奇跡得以發(fā)生，量子信息是在測量過程未提取的信息，經(jīng)典信息是對原物進行某種測量。

三、量子通信的進展

從1994年開始，量子通信已經(jīng)逐步進入實驗階段，并向?qū)嵱没繕?biāo)邁進，具有巨大的開發(fā)價值和經(jīng)濟效益。1997年，中國青年科學(xué)家潘建偉與荷蘭科學(xué)家波密斯特等人試驗并實現(xiàn)了未知量子態(tài)的遠程傳輸。

2004年4月Lorunser等利用量子糾纏分發(fā)第一次實現(xiàn)1.45KM的銀行間數(shù)據(jù)傳輸，標(biāo)志著量子通信從實驗室走向應(yīng)用階段。目前量子通信技術(shù)已經(jīng)引起各國政府、產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視。一些國際著名公司也積極發(fā)展量子信息的商業(yè)化，如英國電話電報公司，美國的Bell、IBM、AT&T等實驗室，日本的東芝公司，德國的西門子公司等。2008年，歐盟“基于量子密碼的全球保密通信網(wǎng)絡(luò)開發(fā)項目”組建的7節(jié)點保密通信演示驗證網(wǎng)絡(luò)試運行成功。

2010年，美國《時代周刊》在“爆炸性新聞”專欄中以“中國量子科學(xué)的飛躍”為題報道了中國在16公里量子隱形傳輸?shù)膶嶒灣晒Γ瑯?biāo)志中國有能力建立地面與衛(wèi)星間的量子通信網(wǎng)絡(luò)[3]。 2010年，日本國家情報通信研究機構(gòu)聯(lián)合三菱電機和NEC，以及瑞士ID Quantique公司、東芝歐洲有限公司和奧地利的All Vienna公司在東京成立了六節(jié)點城域量子通信網(wǎng)絡(luò)“Tokyo QKD Network”。該網(wǎng)絡(luò)集中了目前日本及歐洲在量子通信技術(shù)上發(fā)展水平最高的研究機構(gòu)和公司的最新研究成果。

四、量子通信展望

量子通信是通訊技術(shù)具有劃時代意義的偉大進步，它與傳統(tǒng)的通信技術(shù)相比，在安全性，信道容量，傳輸距離等方面都突破了經(jīng)典技術(shù)的極限。量子通信必將改變未來信息產(chǎn)業(yè)的格局。

目前，其理論框架已基本成型，理論體系正日趨完善。有科學(xué)家預(yù)言，全球化的量子通信有望在十年內(nèi)實現(xiàn)。

參 考 文 獻

[1]何燕玲，王川，焦榮珍等.量子通信原理及進展概述.[J]中國電子科學(xué)研究院學(xué)報.2012，7（5）：466-471.

[2]蘇曉琴，郭光燦.兩種典型的量子通信技術(shù). [J]廣西大學(xué)學(xué)報.2005，30（1）：30-38.

[3]吳華，王向斌，潘建偉.量子通信現(xiàn)狀與展望. [J]中國科學(xué)：信息科學(xué).2014，44（3）：296-311