量子光學與量子信息領域中的通信技術

【摘要】 量子光學的量子特性在信息領域有著獨特的功能，利用其壓縮態、糾纏態、偏振等性質在提高運算速度、確保信息安全、增大信息容量和提高檢測精度等方面有望突破現有經典信息系統的極限。量子通信在一定程度上已經實現了商業應用并具有廣闊的市場應用前景，特別是在量子密碼和量子計算方面有突破性進展。

【關鍵詞】 量子光學 量子信息 量子密碼 量子計算機

一、發展現狀及趨勢

近十幾年來，量子通信的距離和速率都有了飛躍式的提升，一些小規模的量子通信試驗網已經建成，驗證了量子通信技術網絡化的可行性。歐盟已提出歐洲量子通信未來發展目標，將重點發展量子中繼和衛星量子通信，實現千公里量級的量子密鑰分發；日本國立信息通信研究院計劃到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絡；美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室過去幾年中則一直在悄悄創建一套輻射狀的量子互聯網。

我國盡管屬于后來者，但起點高，進展快，在應用研究的多個方面已經達到世界先進水平，2012年初，潘建偉小組在合肥市建成世界上規模最大的46節點量子通信試驗網，標志著大容量的量子通信網絡技術已取得關鍵突破；與此同時，金融信息量子通信驗證網在北京開通，在世界上首次實現利用量子通信網絡對金融信息的安全傳輸。另外還牽頭組織了中科院戰略先導專項“量子科學實驗衛星”，計劃在2016年左右發射，在此基礎上將實現高速星地量子通信并連接地面的城域量子通信網絡，初步構建我國廣域量子通信體系。在城域量子通信關鍵技術方面已達到產業化要求，產業化預備與歐美處于同等水平。

潘建偉認為，目前，我國量子保密通信技術在城域網上的使用基本成熟，已經可以推廣；城際量子通信網絡方面，連接北京和上海的千公里光纖量子通信骨干網工程“京滬干線”已正式立項，有望在兩三年內投入使用。但要實現廣域的量子保密通信，還需要借助衛星。

可以預想，隨著量子通信技術的產業化和廣域量子通信網絡的實現，在不久的將來，作為保障未來信息社會通信安全的關鍵技術，量子保密通信將有望走向大規模應用，成為電子政務、電子商務、電子醫療、生物特征傳輸和智能傳輸系統等各種電子服務的驅動器，為當今信息化社會提供基礎的安全服務和最可靠的安全保障。

二、量子信息應用的主要領域

在量子信息中，用一定量子體系的量子態對信息進行編碼，即以量子態作為信息的載體，按照量子力學的疊加原理等規律對量子態進行傳送或邏輯操作，從而達到量子信息處理的目的。量子信息是量子物理與信息技術相結合發展起來的新學科，主要包括量子通信和量子計算2個領域。量子通信主要研究量子密碼、量子隱形傳態、遠距離量子通信的技術等；量子計算主要研究量子計算機和適合于量子計算機的量子算法。

2.1量子密碼

保密通信不僅在軍事、國防等領域發揮獨特作用，而且對當今的社會發展也日漸重要。量子密碼是量子信息領域最有可能獲得實際應用的技術。傳統的保密通信可以分為“加密”、“接收”、“解密”三個過程，發送者將發送內容通過某種加密規則（密鑰）轉化為密文，接收者在接到密文后采用與加密密鑰匹配的解密密鑰對密文進行解密，得到傳輸內容。 量子保密通信的過程也相同，只不過作為加密和解密的密鑰不再是傳統的密碼，而是改用微觀粒子攜帶的量子態信息。這一看似微小的變化，使密鑰的安全性產生了徹底變化。

量子密碼術以量子物理基本規律為依據，利用量子態的非局域糾纏性，使任何竊取信息的過程都不可能不留下痕跡，而量子不可克隆原理，又使非法者不可能采用任何技術通過克隆竊取信息，這就從根本上保證了量子通信的保密性和可靠性。目前采用量子光學原理，已成功在光纖中實現了30km的密鑰傳遞，為量子密碼術的發展展現了美好前景。中科院開展了利用光糾纏態進行量子保密通訊的實驗研究，目前在量子通信技術的網絡化研究方面，中國科大潘建偉小組于2008年建成光量子電話網，實現了“一次一密”加密方式的實時網絡通話。

量子密碼傳送的實驗分兩類：一類是光子在通常用的光纖中傳播；另一類是在自由空間中傳播。自由空間中的量子密鑰分配通常利用偏振態來編碼，主要困難是大氣環境、背景光等復雜因素的影響嚴重，因此通常只能在天氣良好無月光的深夜開展實驗。相比較于自由空間傳輸而言，光纖量子密鑰分配更易實現和實用，當然由于光纖存在損耗，因此光纖量子密碼的傳輸距離只能在幾百公里的范圍內；除了距離，更需要解決的問題是如何滿足多用戶需求。所以光纖量子密碼實用化的關鍵性問題是發明新型的光學干涉環，解決相位編碼光纖QKD系統的穩定性問題，另外是發明量子路由器，解決實現光纖量子通信網絡的關鍵性困難。這兩項現在百公里和小范圍的光纖網絡中得以應用量子密碼，建設量子密碼網絡并非易事，還涉及網絡工程和現代光通信等領域，需要物理學家和網絡工程師、通信工程師、軟件工作者的通力合作。

2.2量子計算機

目前的計算機運轉都是基于經典物理規律，稱之為經典計算機。近些年來，人們已經認識到經典計算機有著某些不可克服的局限性。比如，不可能產生真正的隨機數序列，無法模擬一個常規的量子力學系統或者說在有限的時間內模擬一個常規的量子力學系統等；此外，從經典計算機發展來看，計算機的速度進一步提高，也意味著芯片更高的集成與微型化。當二氧化硅表面的電路線度小到電子大小的尺度時，電子在電路中的行為不再服從經典力學規律，取而代之的將是量子力學規律。這些都將制約著現代信息科學或者說經典信息科學的發展，量子力學的發展為信息科學的發展提供了可靠的物理基礎。數年前，在幾平方毫米的芯片上可以集成上百個微激光器，現在，在5”的襯底上可以集成108 個微激光器。這種高密度的管子集成，為光通信、光計算等高科技的進一步開拓和發展開辟了美好的前景。

我國現在為實現固體量子計算機，主要開展3個方面的工作：一是基于新材料的半導體量子芯片；二是基于微納米光腔的量子仿真；三是基于表面等離子體金屬納米結構的量子輸運。在量子計算機中，一串處于疊加態的量子比特，可以被糾纏在一起，完成大量信息的同時編碼與平行運算，這樣便使得運算速度獲得突破性提高，完成經典計算機不可能完成的運算。然而，量子計算機在基于半導體的芯片可持續發展將不可避免的依賴新一代的基于量子力學的計算芯片的出現，但真正研發出有意義的量子芯片的實現任重而道遠，甚至還具有很大的不確定性。

三、總結

我國的量子通信技術發展迅速，位居世界前列。在2009 年成功實現了世界上最遠距離的量子隱形傳態，這一距離是目前國際上自由空間糾纏光子分發的最遠距離，也是目前國際上沒有竊聽漏洞的量子密鑰分發的最大距離。中國科學家在自由空間量子通信方向上的一系列工作引起了國際學術界的廣泛關注。下一步科學家們正在計劃通過自由空間實現幾百公里的量子通信，超越光纖傳輸的極限。量子通信比較傳統通信技術具有明顯優勢：抗干擾能力強，不需要借助傳統信道；量子密碼幾乎不可能被破譯，保密性強；線路時延幾乎為零，傳輸速度快。

目前量子通信技術已經引起很多國家政府和軍方的高度關注。一方面量子通信保密性強，在軍事上幾乎難以被敵方破譯，能夠保證己方軍事行動不被敵方所偵析。另一方面量子通信技術能夠抵御未來量子計算機技術帶來的威脅。眾所周知，運用現有的高速計算機來破解復雜的加密算法可能需要幾萬年，在現實中是難以接受的。然而量子計算機卻只需大約幾分鐘。如果量子計算機投入使用，就意味著任何傳統的數學密碼體制都不再安全。

參 考 文 獻

[1]光纖量子密碼網絡，溫浩 郭光燦 現代物理知識 2007年第4期

[2]量子信息技術 郭光燦 重慶郵電大學學報 2010年10月

[3] 量子通信技術的發展動態及應用 詹源源 科協論壇2011年第2期

[4]量子密碼研究進展 馬瑤瑤 福建電腦 2011年第7期

[5]量子光學與量子信息 彭堃墀 中國基礎科學科學前沿 2000年 4月

[6]量子光學與量子信息領域中的中國 白雨虹 楊秀彬 嚴寒 光學精密工程 2007年5月