量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的問題研究

徐兵杰，劉文林，毛鈞慶，楊 燕

(1．保密通信實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610041;2．解放軍95830部隊(duì)，北京100093;3．解放軍91746部隊(duì)，北京102206)

0 引言

量子通信基于量子力學(xué)原理，將微觀世界的物質(zhì)特性運(yùn)用到通信技術(shù)上，在高速傳輸和高可靠保密通信方面具有優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)今通信技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。世界各國(guó)紛紛投入大量的人力和物力進(jìn)行研究和開發(fā)，在理論研究和實(shí)驗(yàn)技術(shù)上均取得了重大突破。

1 量子通信技術(shù)

1．1 基本概念

量子通信是利用量子相干疊加、量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型通信技術(shù)，由量子論和信息論相結(jié)合而產(chǎn)生［1］。從物理學(xué)角度看，量子通信是在物理極限下利用量子效應(yīng)現(xiàn)象完成的高性能通信，從物理原理上確保通信的絕對(duì)安全，解決了通信技術(shù)無法解決的問題，是一種全新的通信方式［2］。從信息學(xué)角度看，量子通信是利用量子不可克隆或者量子隱形傳輸?shù)攘孔犹匦裕柚孔訙y(cè)量的方法實(shí)現(xiàn)兩地之間的信息數(shù)據(jù)傳輸。量子通信中傳輸?shù)牟皇墙?jīng)典信息，而是量子態(tài)攜帶的量子信息，是未來通信技術(shù)的重要發(fā)展方向。

1．2 發(fā)展歷程

量子通信的研究發(fā)展起步于20世紀(jì)80年代［3］。1969年，美國(guó)哥倫比亞大學(xué) Wiesner提出采用量子力學(xué)理論保護(hù)信息安全的設(shè)想。1979年，美國(guó)IBM公司的Bennett和加拿大蒙特利爾大學(xué)的Brassard提出了將Wiesner的設(shè)想用于通信傳輸?shù)臉?gòu)想。1981年，F(xiàn)eynman提出了傳輸量子信息的假設(shè)，確立了量子信息論的開端。1982年，法國(guó)艾倫·愛斯派克特通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了微觀粒子存在“量子糾纏”現(xiàn)象。1984年，Bennett和Brassard提出了量子密鑰分發(fā)(QKD)的概念和第一個(gè)量子密鑰分發(fā)協(xié)議(BB84協(xié)議)，標(biāo)志著量子通信理論的誕生。1989年，通過自由空間信道，完成了量子通信的第一個(gè)演示性實(shí)驗(yàn)，通信距離為32 cm。1992年，Bennett提出了基于兩個(gè)非正交量子態(tài)的量子密鑰分發(fā)協(xié)議，被稱為B92協(xié)議。

1993年，Bennett首次正式提出量子通信概念。同年，6位不同國(guó)家的科學(xué)家，利用經(jīng)典信道與量子糾纏相結(jié)合方法，設(shè)計(jì)出了量子隱形傳送方案。1997年，奧地利科學(xué)家首次完成室內(nèi)量子態(tài)隱形傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)驗(yàn)證;2004年，通過光纖信道，實(shí)現(xiàn)量子態(tài)隱形傳輸600米。2007年6月，歐洲科學(xué)家根據(jù)BB84方案，通過衛(wèi)星進(jìn)行量子通信測(cè)試，通信距離達(dá)144公里。2008年，意大利和奧地利科學(xué)家首次識(shí)別出從地球上空1500公里處的人造衛(wèi)星上反彈回地球的單批光子，實(shí)現(xiàn)了太空量子保密通信的重大突破。2012年，中國(guó)和奧地利科學(xué)家分別實(shí)現(xiàn)了百公里量級(jí)的量子隱形傳態(tài)，為星地間量子通信技術(shù)研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

同時(shí)，隨著點(diǎn)對(duì)點(diǎn)QKD技術(shù)的成熟，基于量子密鑰分發(fā)技術(shù)的中小型規(guī)模的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)在美國(guó)、歐盟、日本、中國(guó)等得到的多次實(shí)驗(yàn)演示驗(yàn)證，QKD技術(shù)已經(jīng)逐步接近實(shí)用化。2004年，美國(guó)雷神公司組和波士頓大學(xué)在DARPA支持下建了世界上第一個(gè)量子密碼通信網(wǎng)絡(luò);2008年，歐盟“基于量子密碼的全球保密通信網(wǎng)絡(luò)”(SECOQC)研發(fā)項(xiàng)目組建的7節(jié)點(diǎn)量子保密通信演示驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行成功;2009年，由日本國(guó)家情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)(NICT)主導(dǎo)，聯(lián)合日本NTT、NEC和三菱電機(jī)，并邀請(qǐng)到東芝歐洲有限公司、瑞士ID Quantique公司和奧地利All Vienna共同協(xié)作在東京建成了六節(jié)點(diǎn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)“Tokyo QKD Network”，集中展示了歐洲和日本在量子通信技術(shù)上的最新技術(shù);2010年起，美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室秘密構(gòu)建了城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，直到2013年才公布;中國(guó)先后建設(shè)了蕪湖、合肥、濟(jì)南、北京等量子城域網(wǎng)，在QKD網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用探索方面走在世界前列。國(guó)慶60周年之際，中國(guó)在天安門城樓、中南海、國(guó)慶閱兵指揮部等地點(diǎn)之間構(gòu)建的實(shí)時(shí)語(yǔ)音加密量子通信熱線。總之，經(jīng)過近30年的發(fā)展，從技術(shù)指標(biāo)上來講，國(guó)際上QKD系統(tǒng)最遠(yuǎn)傳輸距離達(dá)300 km，在通信距離為50 km條件下安全碼率可達(dá)1 Mb/s，城域量子通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目達(dá)幾十個(gè)。市場(chǎng)上至少有5家公司銷售商用QKD產(chǎn)品，其中包括瑞士的ID Quantique公司，美國(guó)的MagiQ公司，法國(guó)的Smar Quantum公司，中國(guó)的問天量子科技公司和量子通信科技公司。本領(lǐng)域當(dāng)前研究的主要集中于推進(jìn) QKD技術(shù)的實(shí)用化，解決實(shí)際QKD系統(tǒng)的安全性、實(shí)用性及大規(guī)模量子通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用探索問題。

1．3 體系架構(gòu)

量子通信體系架構(gòu)包括量子態(tài)發(fā)生器、量子通道和量子測(cè)量裝置等部分，其基本模型如圖1所示。

圖1 量子通信系統(tǒng)基本模型Fig．1 Basic model of quantum communication systems

量子通信系統(tǒng)包括量子信源、量子編碼、量子解碼、量子調(diào)制、量子解調(diào)、量子傳輸信道、量子測(cè)量裝置、量子輔助信道和量子信宿等部分［4］，其中:量子信源是量子信息(表現(xiàn)形式為量子態(tài))產(chǎn)生器;量子信宿用于接收量子信息;量子編碼負(fù)責(zé)將量子信息轉(zhuǎn)換成量子比特;量子解碼負(fù)責(zé)將量子信息比特轉(zhuǎn)換成信息。信道分成量子傳輸信道與輔助信道兩部分，量子傳輸信道傳輸量子信息，輔助信道是除量子傳輸信道和測(cè)量信道之外的附加信道(如經(jīng)典信道)。量子噪聲是通信環(huán)境對(duì)量子信號(hào)產(chǎn)生的影響等效描述。目前，在量子通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，一般采用“量子信道+輔助經(jīng)典信道”的方式完成非理想的量子密鑰分發(fā)或量子密碼通信。在經(jīng)典信道輔助下，通信雙方利用量子信道實(shí)現(xiàn)量子信息的交互和同步，獲取量子密鑰。

1．4 特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

量子通信與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，具有如下主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì):①時(shí)效性高。量子通信的線路時(shí)延近乎為零，量子信道的信息效率相對(duì)于經(jīng)典信道量子的信息效率高幾十倍，并且量子信息傳遞的過程沒有障礙，傳輸速度快。②抗干擾性能強(qiáng)。量子通信中的信息傳輸不通過傳統(tǒng)信道，與通信雙方之間的傳播媒介無關(guān)，不受空間環(huán)境的影響，具有完好的抗干擾性能。③保密性能好。根據(jù)量子不可克隆定理，量子信息一經(jīng)檢測(cè)就會(huì)產(chǎn)生不可還原的改變，如果量子信息在傳輸中途被竊取，接收者必定能發(fā)現(xiàn)。④隱蔽性能好。量子通信沒有電磁輻射，第三方無法進(jìn)行無線監(jiān)聽或探測(cè)。⑤同等條件下，獲得可靠通信所需的信噪比比傳統(tǒng)通信手段低30～40 dB。⑥應(yīng)用廣泛。量子通信與傳播媒介無關(guān)，傳輸不會(huì)被任何障礙阻隔，量子隱形傳態(tài)通信還能穿越大氣層。因此，量子通信應(yīng)用廣泛，既可在太空中通信，又可在海底通信，還可在光纖等介質(zhì)中通信。

2 量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，世界各國(guó)學(xué)者對(duì)于量子通信技術(shù)開展的研究，主要集中在量子密鑰分配(QKD，Quantum Key Distribution)、量子隱形傳態(tài)(Quantum Teleportation)、量子安全直接通信(QSDC，Quantum Secure Direct Communication)、量子機(jī)密共享(QSS，Quantum Secret Sharing)等4 個(gè)方面［5］。

2．1 量子密鑰分配(QKD)

量子密鑰分配以量子態(tài)為信息載體，基于量子力學(xué)的測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系和量子不可克隆定理，通過量子信道使通信收發(fā)雙方共享密鑰，是密碼學(xué)與量子力學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。QKD技術(shù)在通信中并不傳輸密文，只是利用量子信道傳輸密鑰，將密鑰分配到通信雙方。基于QKD技術(shù)的保密通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于QKD的量子保密通信系統(tǒng)Fig．2 Quantum secure communication system based on QKD

目前，各國(guó)學(xué)者在理論上已經(jīng)提出了幾十種量子密鑰分配方案，根據(jù)信號(hào)源的不同大概可分為三類:一是基于單量子的量子密鑰分配方案;二是基于量子糾纏對(duì)的量子密鑰分配方案;三是基于單量子與量子糾纏對(duì)的混合量子密鑰分配方案。

2．1．1 基于單量子的量子密鑰分配方案

基于單量子的密鑰分配方案主要有4個(gè)［5］:

1)BB84方案。1984年，Brassard與Bennett聯(lián)合提出了第一個(gè)實(shí)用型量子密鑰分配系統(tǒng)——BB84方案，系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。該方案通過量子信道傳送密鑰，量子信道的信息載體是單個(gè)量子，通過量子的相位、極化方向或頻率等物理量攜帶量子密鑰信息。BB84方案利用單個(gè)量子作為信息載體兩組共扼基，每組基中的兩個(gè)極化互相正交。由于理想狀態(tài)的量子信道無法實(shí)現(xiàn)，BB84方案還利用經(jīng)典信道進(jìn)行量子態(tài)測(cè)量方法的協(xié)商和碼序列的驗(yàn)證。

圖3 基于BB84協(xié)議的量子密碼通信系統(tǒng)Fig．3 Quantum cryptographic communication system based on BB84 protocol

2)B92方案。1992年，Bennett基于 BB84方案，設(shè)計(jì)了只用兩個(gè)非正交的量子態(tài)實(shí)現(xiàn)量子密鑰分配的設(shè)想，即B92方案。B92方案對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求比BB84方案低，量子信號(hào)的制備也相對(duì)簡(jiǎn)單一些，但效率低、可靠性能差。

3)HKH98方案。1998年，Hwang、Koh和 Han根據(jù)BB84方案，通過不正交的量子態(tài)不能被克隆的原理，利用控制通信雙方測(cè)量基的方法，使通信收發(fā)雙方對(duì)每一個(gè)量子信號(hào)的制備與測(cè)量運(yùn)用相同的測(cè)量基，簡(jiǎn)記為HKH98方案，又稱作測(cè)量基加密量子密鑰分配方案。其編碼方式與BB84完全一樣。

2．1．2 基于量子糾纏對(duì)的量子密鑰分配方案

基于量子糾纏對(duì)的量子密鑰分配方案主要有3個(gè):①Ekert91方案。1991年，Ekert提出了基于EPR光子對(duì)(量子糾纏對(duì))的量子密鑰分配方案，又稱EPR方案。該方案基于光子的糾纏特性，但由于目前EPR光子對(duì)的制備、傳輸、量子存儲(chǔ)及Bell不等式的測(cè)量技術(shù)還都不夠成熟，實(shí)用性不高。②BBM92方案。1992年，Bennett、Brassard和 Mermin在Ekert91的基礎(chǔ)上提出了BBM92方案。該方案不用貝爾不等式分析方法來判斷安全性，而是采用了與BB84方案一樣的安全分析方法，在測(cè)量上比較容易實(shí)現(xiàn)。該方案也需要EPR對(duì)，實(shí)際應(yīng)用較難實(shí)現(xiàn)。③Long－Liu 2002方案。2002年，我國(guó)龍桂魯與劉曉曙提出基于N個(gè)EPR對(duì)的QKD方案。其設(shè)計(jì)思路是，利用量子糾纏對(duì)作為量子信息的載體，處于糾纏的量子對(duì)的量子態(tài)可以是四種貝爾基態(tài)中的任何一個(gè)。該方案具有高效率和高容量的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是需要克制退相干作用，以及量子序列需要等待另一個(gè)量子序列傳輸完后才能傳輸。④設(shè)備無關(guān)方案。2007年，歐洲學(xué)者提出了安全性與系統(tǒng)光源、探測(cè)器屬性獨(dú)立的，基于Bell不等式測(cè)量的QKD方案，即所謂設(shè)備無關(guān)(Device Independent)協(xié)議。該協(xié)議能從理論上解決實(shí)際QKD系統(tǒng)的安全漏洞，具有極高的理論研究?jī)r(jià)值，是當(dāng)前的學(xué)術(shù)研究熱點(diǎn)。在此協(xié)議基礎(chǔ)之上，各國(guó)科學(xué)家還進(jìn)一步拓展出了半設(shè)備無關(guān)協(xié)議、測(cè)量設(shè)備無關(guān)協(xié)議等新思路、新理論。

2．1．3 基于單量子和量子糾纏對(duì)的混合量子密鑰分配方案

該方案的主要思想是，綜合利用單量子和量子糾纏對(duì)的量子特性，讓竊聽者沒有辦法獲得量子信號(hào)的準(zhǔn)確信息。該方案的代表是2000年Cabello提出的基于Holevo limit的量子密鑰分配方案和我國(guó)郭光燦小組提出的條件高效多用戶量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)方案。

2．1．4 國(guó)內(nèi)外基于量子密鑰分配的量子通信實(shí)現(xiàn)情況

1)國(guó)外實(shí)現(xiàn)情況。1993年，英國(guó)研究小組首先在光纖中，使用相位編碼的方法實(shí)現(xiàn)了BB84方案，通信傳輸距離達(dá)10 km。1995年，該小組將距離提升到30 km。瑞士于1993年用偏振光子實(shí)現(xiàn)了BB84方案，光子波長(zhǎng)1．3 mm，傳輸距離1．1 km，誤碼率0．54%;1995年，將距離提升到23 km，誤碼率為3．4%;2002年，傳輸距離達(dá)到67 km。2000年，美國(guó)實(shí)現(xiàn)自由空間量子密鑰分配通信，傳輸距離達(dá)1．6 km;2003年，歐洲研究小組實(shí)現(xiàn)自由空間中23 km的通信。2008年10月，歐盟開通了8個(gè)用戶的量子密碼網(wǎng)絡(luò);同月，日本將量子通信速率提高100倍，20 km時(shí)通信速率達(dá)到1．02 Mbit/s，100 km時(shí)通信速率達(dá)到10．1 kbit/s。目前，國(guó)外光纖量子密鑰分配的通信距離達(dá)300 km，量子密鑰協(xié)商速率最高試驗(yàn)記錄在50 km光纖傳輸中超過1 Mb/s。

2)國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)情況。2004年，郭光燦團(tuán)隊(duì)完成了從北京望京——河北香河——天津?qū)氎娴牧孔用荑€分配，距離125 km。2007年，趙義博團(tuán)隊(duì)完成四用戶量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試運(yùn)行。2008年，潘建偉團(tuán)隊(duì)建成基于商用光纖和誘騙態(tài)相位編碼的3節(jié)點(diǎn)量子通信網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)間距離達(dá)20 km，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通話和3方通話。2009年，郭光燦團(tuán)隊(duì)建成世界上第一個(gè)“量子政務(wù)網(wǎng)”。同年9月，中國(guó)科技大學(xué)建成世界上第一個(gè)5節(jié)點(diǎn)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語(yǔ)音量子密碼通信。2011年5月，王建宇團(tuán)隊(duì)研發(fā)出兼容經(jīng)典激光通信的“星地量子通信系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了星地之間同時(shí)進(jìn)行量子通信和經(jīng)典激光通信。2012年2月17日，合肥市城域量子通信實(shí)驗(yàn)示范網(wǎng)建成并進(jìn)入試運(yùn)行階段，具有46個(gè)節(jié)點(diǎn)，光纖長(zhǎng)度1 700 km，通過6個(gè)接入交換和集控站，連接40組“量子電話”用戶和16組“量子視頻”用戶。2013年5月，中科院在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)星地量子密鑰分發(fā)的全方位地面試驗(yàn)。同年11月，濟(jì)南量子保密通信試驗(yàn)網(wǎng)建成，包括三個(gè)集控站、50個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)。我國(guó)計(jì)劃在2016年左右發(fā)射“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”，將實(shí)現(xiàn)高速星地量子通信并連接地面的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

2．2 量子隱形傳態(tài)

量子隱形傳態(tài)(Quantum Teleportation)又稱量子遠(yuǎn)程傳態(tài)或量子離物傳態(tài)，是利用量子糾纏的不確定特性，將某個(gè)量子的未知量子態(tài)傳送到另一個(gè)地方，然后將另一個(gè)量子制備到該量子態(tài)上，而原來的量子仍留在原處。其基本原理是利用量子糾纏對(duì)的遠(yuǎn)程關(guān)聯(lián)，通過對(duì)其中一個(gè)糾纏量子和某一個(gè)未知量子態(tài)進(jìn)行一些本地測(cè)量，實(shí)現(xiàn)這個(gè)未知量子態(tài)在另一個(gè)糾纏量子上再現(xiàn)出來。量子態(tài)傳送過程是隱形的，通信過程中傳輸?shù)闹皇潜磉_(dá)量子信息的“狀態(tài)”，而并不傳輸作為信息載體的量子本身，通信沒有經(jīng)歷空間與時(shí)間，不發(fā)送任何量子態(tài)，而是將未知量子態(tài)所包含的信息傳送出去。

量子隱形傳態(tài)是當(dāng)前量子通信技術(shù)研究和發(fā)展的重要方向之一。在理論研究方面，自從1993年Bennett等人提出分離變量的量子隱形傳態(tài)方案后，相關(guān)學(xué)者提出的方案有:Davidovich L等人的基于Bell基聯(lián)合測(cè)量方案;Vaidmand L等人的連續(xù)變量方案;Brassard G等人提出的利用受控非門和單個(gè)量子比特操作所構(gòu)成的量子回路方案;Barenco A等人的量子態(tài)交換方案;Cirac及中國(guó)鄭仕標(biāo)和郭光燦等人的基于腔量子電動(dòng)力學(xué)(腔QED)的方案及利用原子與光腔相互作用來實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的方案;Ralph T C及我國(guó)山西大學(xué)彭墀等人的利用明亮壓縮光的方案;Solano E等人的離子阱方案;葉柳和郭光燦等人的利用非局域測(cè)量實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的隱形傳送方案;鄭亦莊等人利用非最大糾纏態(tài)作為量子通道，實(shí)現(xiàn)三粒子糾纏W態(tài)的隱形傳送方案;Roa L等人提出的一種d維的量子系統(tǒng)的隱形傳態(tài)方案等。

在實(shí)驗(yàn)進(jìn)展方面［6］，1997年奧地利Zeilinger小組首次實(shí)驗(yàn)成功了量子隱形傳態(tài)通信;1998年初，意大利Rome小組實(shí)現(xiàn)將量子態(tài)從糾纏光子對(duì)中的一個(gè)光子傳遞到另一個(gè)光子上的方案;同年底，美國(guó)CIT團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)變量(連續(xù)相干光場(chǎng))的量子隱形傳態(tài)，美國(guó)學(xué)者用核磁共振 (NMR)的方法，實(shí)現(xiàn)了核自旋量子態(tài)的隱形傳送。2001年 ，美國(guó)Shih Y H團(tuán)隊(duì)在脈沖參量下轉(zhuǎn)換中，利用非線性方法實(shí)施 Bell基的測(cè)量 ，完成量子隱形傳態(tài)。2002年，澳大利亞學(xué)者將信息編碼的激光束進(jìn)行了“遠(yuǎn)距傳物”。1997年，我國(guó)潘建偉和荷蘭學(xué)者波密斯特等人合作，首次實(shí)現(xiàn)了未知量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸;2004年，潘建偉小組在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)五光子糾纏和終端開放的量子態(tài)隱形傳輸，此后又首次實(shí)現(xiàn)了6光子、8光子糾纏態(tài);2011年，在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)了百公里量級(jí)的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，解決了量子通訊衛(wèi)星的遠(yuǎn)距離信息傳輸問題。2012年9月，奧地利、加拿大、德國(guó)和挪威研究人員，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)143公里的“隱形傳輸”。

2．3 量子安全直接通信(QSDC)

量子安全直接通信是指通信雙方以量子態(tài)為信息載體，基于量子力學(xué)相關(guān)原理及量子特性，利用量子信道，在通信收發(fā)雙方之間安全地、無泄漏地直接傳輸有效信息，特別是機(jī)密信息的通信技術(shù)［7］。

QSDC是量子通信技術(shù)的一個(gè)重要分支，主要用于直接傳輸機(jī)密信息。通信的收發(fā)雙方無需事先建立安全密鑰，就可以直接通過量子通道進(jìn)行信息傳輸。QSDC與量子密鑰分發(fā)的根本區(qū)別在于在量子信道中直接傳遞秘密信息，安全性要求比量子密鑰分配高。

2000年，我國(guó)龍桂魯和劉曉曙提出了第一個(gè)“高效兩步”量子安全直接通信方案。2001年，Beige等人首次提出了確定的安全通信概念。隨后，Bostrom提出“ping－pong”方案，這是第一個(gè)真正的QSDC方案;鄧富國(guó)提出了基于 EPR糾纏的兩步(Two－step)QSDC方案;Zhu提出了秘密傳送有序量子的QSDC方案;Gu提出了具有身份認(rèn)證、基于密集編碼和在噪聲下的QSDC方案等。近幾年又又出現(xiàn)了一些基于W態(tài)的QSDC方案等。但總體而言，QSDC方案還存在非實(shí)時(shí)及其量子信道信息所需要的糾纏態(tài)、量子存儲(chǔ)等技術(shù)還不成熟的問題。

2．4 量子機(jī)密共享(QSS)

量子機(jī)密共享是經(jīng)典的機(jī)密共享在量子通信中的運(yùn)用和發(fā)展［5］。1979年，Shamir和 Blakley分別提出了經(jīng)典的機(jī)密共享概念，旨在對(duì)重要的密鑰進(jìn)行安全保護(hù)，使即便部分或全部密鑰被第三方竊取也難以恢復(fù)出真實(shí)的密鑰。其主要實(shí)現(xiàn)思路是，將原始密鑰分割成多份，然后將多份密鑰分別發(fā)給多個(gè)用戶，每個(gè)用戶都只能獲取一份或多份密鑰份額，只有在多個(gè)密鑰分享者合作下，才能恢復(fù)出原始的密鑰，不能滿足上述條件的共享者將無法得到全部的密鑰。通過使用機(jī)密共享方案，可以在分享機(jī)密信息的同時(shí)，防止不誠(chéng)實(shí)用戶的破壞企圖。

量子機(jī)密共享是多個(gè)通信方之間通過多量子糾纏態(tài)實(shí)現(xiàn)的量子通信，但現(xiàn)實(shí)應(yīng)用技術(shù)難度大，還基本處在理論研究階段。1999年，Hillery，Buzek和Berthiaume提出了首個(gè)量子機(jī)密共享方案，隨后，各國(guó)學(xué)者又相繼提出了大約十幾種理論方案，包括共享一個(gè)未知態(tài)的一些方案，并于2001年在實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了演示。

3 量子通信技術(shù)發(fā)展面臨的問題

量子通信技術(shù)研究和發(fā)展面臨的問題主要有:①速率、傳輸距離、抗干擾性能有局限性。基于量子密鑰分配或量子隱形傳態(tài)的量子通信技術(shù)，在現(xiàn)有條件下，都不能或者極難超越經(jīng)典通信系統(tǒng)在通信速率、通信距離、抗干擾等方面的性能。現(xiàn)有光量子傳輸速率仍達(dá)不到光纖傳輸?shù)腉比特每秒數(shù)量級(jí)。光纖量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)安全碼率在50 km傳輸距離下達(dá)1 Mb/s，最遠(yuǎn)傳輸距離達(dá)300 km。未來量子通信技術(shù)要解決的重要技術(shù)問題是將碼率提升至Gb/s量級(jí)，將傳輸距離提升至千公里量級(jí)。②理想的量子通信協(xié)議在現(xiàn)實(shí)技術(shù)條件下難以實(shí)現(xiàn)。就單光子通信而言，單光子源生成、量子態(tài)控制及量子測(cè)量等技術(shù)并不成熟，不能確保量子信道在不被察覺的情況下不被竊聽。現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)多采用想干態(tài)激光脈沖結(jié)合誘騙態(tài)協(xié)議，可替代理想單光子技術(shù)，基本確保系統(tǒng)的無條件安全性。然而，單光子態(tài)的制備、傳輸、存儲(chǔ)、測(cè)量技術(shù)仍然是量子通信技術(shù)所需要重點(diǎn)突破的技術(shù)問題。就量子隱形傳態(tài)技術(shù)而言，量子糾纏態(tài)的產(chǎn)生、傳送和儲(chǔ)存技術(shù)還沒有完全攻克，仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。③量子通信技術(shù)在實(shí)際運(yùn)用上還存在安全漏洞。盡管理論上量子密碼不可破解，完全保密，但并由于實(shí)際系統(tǒng)所采用的非理想物理器件無法完全滿足理論安全性分析中的數(shù)學(xué)物理模型，故實(shí)際系統(tǒng)仍存在安全漏洞。2008年，瑞典的拉森和挪威的馬卡羅夫就分別指出了量子通信體系的漏洞，說明未來的量子通信體系仍存在一些不確定性，安全上存在漏洞。目前，研究者就實(shí)際量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的光源、信道、探測(cè)端的非理想安全漏洞進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)上的深入研究，通過拓展現(xiàn)有安全性分析理論或增加硬件監(jiān)控模塊可解決現(xiàn)有安全漏洞。此外，研究者針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)安全性問題還提出了設(shè)備無關(guān)、半設(shè)備無關(guān)協(xié)議，從理論上基本解決了實(shí)際安全性問題，但其實(shí)驗(yàn)條件相對(duì)苛刻。量子通信的實(shí)際安全性研究、設(shè)備無關(guān)協(xié)議的安全性分析是當(dāng)前量子通信技術(shù)的熱點(diǎn)研究問題。④光子損耗及量子退相干問題。在對(duì)量子通信過程時(shí)，如何盡量減小光子損耗，保持量子特性不被破壞，減少量子退相干效應(yīng)是目前技術(shù)難度較大的技術(shù)問題。⑤單光子探測(cè)技術(shù)問題。單光子探測(cè)技術(shù)還不成熟，需要研制高效率、高速率、低噪聲的實(shí)用化單光子探測(cè)器，為紅外單光子信息處理提供高靈敏度的探測(cè)手段。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著世界各國(guó)對(duì)信息安全的重視和對(duì)通信速率的旺盛需求，具有安全可靠和高速傳輸優(yōu)勢(shì)的量子通信，將是未來網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的主流通信技術(shù)。在單光子、量子探測(cè)、量子存儲(chǔ)等量子通信關(guān)鍵技術(shù)獲得發(fā)展和突破條件下，量子通信技術(shù)正逐步進(jìn)入實(shí)用階段。量子通信技術(shù)將在一些重要領(lǐng)域的通信保密中扮演十分重要的角色，成為21世紀(jì)通信領(lǐng)域發(fā)展的方向和熱點(diǎn)。

［1］ 徐啟建，金鑫，徐曉帆．量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析［J］．中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2009，4(05):491－497．XU Qi－jian，JIN Xin，XU Xiao－fan，An Analysis of State－of－the－Art and Foreground of Quantum Communication Technology ［J］．Journal of CAEIT，2009，4(05):491－497．

［2］ 陳暉，朱甫臣．一次量子通信QKD和QA協(xié)議［J］．通信技術(shù)，2003，6(06):1－5．CHEN Hui，ZHU Fu－chen．QKD and QA Protocol of Quantum Communication［J］．Communications Technology，2003，6(06):1－5．

［3］ NAIRZ O，ARNDT M，ZEILINGER A．Quantum Interference Experiments with Large Molecules［J］，American Journal of Physics，2003，71(71):319－325．

［4］ 許娟．量子通信的基本原理和研究進(jìn)展［C］//全國(guó)第十三次光纖通信暨第十四屆集成光學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集．南京:中國(guó)電子學(xué)會(huì)通信學(xué)分會(huì)，2007:1－6．XU Juan．Fundamental and Research Progress of Quantum Communication［C］//Proceedings of the 13th National Optical Fiber Communication and 14th Optics Communication Conference．Nanjing:Chinese Institute of E-lectronics Communication Society，2007:1－6．

［5］ 鄧富國(guó)．量子通信理論研究［D］．北京:清華大學(xué)，2004:104－106．DENG Fu－guo．Study on the Theory of Quantum Communication ［D］． BeiJing: Tsinghua University，2004:104－106．

［6］ 蘇曉琴，郭光燦．量子隱形傳態(tài)［J］．物理學(xué)進(jìn)展，2004，24(03):259－273．SU Xiao－qin，GUO Guang－can，Quantum Teleportation［J］．Progress in Physics，2004，24(03):259－273．

［7］ 龍桂魯，王川，李巖松，等．量子安全直接通信［J］．中國(guó)科學(xué)，2011，41(04):332－342．LONG Gui－Lu，WANG Chuan，LI Yan－song．Quantum Secure Direct Communication ［J］．SCIENCE CHINA，2011，41(04):332－342．