劃時(shí)代的量子通信技術(shù)現(xiàn)狀及展望

陜西省西安市西安中學(xué) 梁雨清

劃時(shí)代的量子通信技術(shù)現(xiàn)狀及展望

陜西省西安市西安中學(xué) 梁雨清

量子通訊技術(shù)因其出色的安全性、高效性及準(zhǔn)確性一直是信息發(fā)展研發(fā)領(lǐng)域的熱點(diǎn)，2016年8月，世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”的發(fā)射升空，標(biāo)志著我國在量子通信技術(shù)上的跨越式的發(fā)展和領(lǐng)先優(yōu)勢。本文簡要描述了量子通信技術(shù)的概念及特點(diǎn)，并結(jié)合當(dāng)前量子通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀對量子通信技術(shù)的發(fā)展提出展望。

量子通信技術(shù)；安全；高效；信息容納量

信息的安全傳遞一直是人類千百年以來孜孜不倦追求的目標(biāo)，傳統(tǒng)的加密技術(shù)隨著計(jì)算能力的迅猛提升而越來越脆弱，量子通信技術(shù)的出現(xiàn)則正好破解了這一難題。我國的高級科研計(jì)劃中也包括量子通訊技術(shù)的研究與調(diào)控，關(guān)注量子通信技術(shù)的內(nèi)涵及發(fā)展，了解量子通訊技術(shù)的現(xiàn)狀以及應(yīng)用的前景，對于量子通信技術(shù)的普及有著重要的意義。

1. 量子通信概念

量子通信的概念是由美國科學(xué)家上世紀(jì)八十年代提出的，相較于傳統(tǒng)電子通信技術(shù)而言，量子通信概念的提出具有劃時(shí)代的意義，在政治、軍事、社會(huì)及經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域都有巨大的應(yīng)用潛力。

量子通信包括量子密匙分發(fā)以及量子態(tài)隱形傳輸兩個(gè)過程，目前人類也已實(shí)現(xiàn)了短距離的量子通信，其可行性已通過實(shí)驗(yàn)證據(jù)得到了證明。量子通信的原理簡單說來就是讓量子態(tài)的空間轉(zhuǎn)移，但是量子態(tài)的載體在空間上又不發(fā)生移動(dòng)，相當(dāng)于一張紙上的文字轉(zhuǎn)移到了另一張紙上，而這兩張紙的距離相隔數(shù)百米。這種量子間的相互作用就像是雙胞胎之間的心靈感應(yīng)，雖然雙方并不進(jìn)行語言的交流，但是當(dāng)一個(gè)粒子的狀態(tài)改變時(shí)，相隔數(shù)千米外的另一個(gè)粒子的狀態(tài)也會(huì)隨之改變，這中間沒有任何信息的傳遞，這就徹底顛覆了傳統(tǒng)通信的傳輸模式。

2. 量子通信技術(shù)的特性

2.1 高安全性

量子通訊只能夠在兩個(gè)固定地點(diǎn)的粒子之間進(jìn)行，即點(diǎn)對點(diǎn)的通訊。對于兩個(gè)固定的地點(diǎn)的兩個(gè)粒子來講，當(dāng)一個(gè)地點(diǎn)的粒子狀態(tài)改變時(shí)，另一個(gè)地點(diǎn)的粒子狀態(tài)會(huì)隨著發(fā)生改變，如果想要從中截取任何信息，都會(huì)改變原有粒子的狀態(tài)，導(dǎo)致原有粒子上攜帶的信息改變。從這一點(diǎn)來講，量子通訊是根本無法被第三方解碼的，任何嘗試解碼的行為都會(huì)改變信息自身，這就注定了量子通訊的高度的安全性，在軍工等領(lǐng)域前景光明。

2.2 高傳遞效率

在理論上，兩個(gè)粒子的狀態(tài)之間的改變幾乎不需要時(shí)間，一個(gè)粒子狀態(tài)改變時(shí)另一個(gè)粒子的狀態(tài)會(huì)同時(shí)改變，這意味著量子通信技術(shù)的傳輸效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)今人類任何一種傳輸介質(zhì)，其傳輸速度連光速都無法比擬。而量子通信技術(shù)的傳輸效率不受介質(zhì)的影響，這意味著岸基與深海之間的通信難題從此不復(fù)存在，對于軍事的深海作戰(zhàn)有非凡的意義。

2.3 高信息容納量

以當(dāng)前最為普及的光纖通信為例，這種通訊方式是以光為載體來傳遞信息，信息傳遞的速度是由光的速度決定的。而在同樣的情況下，量子通信技術(shù)信息傳遞的速度幾乎不受到限制，同樣數(shù)量的量子通信載體與光纖通信載體信息容納量相差幾十倍，量子通信技術(shù)能夠在一秒內(nèi)傳送完的信息需要光纖通信技術(shù)傳遞數(shù)十秒，僅在高信息容納量方面的這一特點(diǎn)就可以創(chuàng)造巨大的使用價(jià)值。

3. 量子通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

在量子通信技術(shù)的研發(fā)這一方面，我國與其他國家的起步時(shí)間基本相同，但是在研發(fā)進(jìn)度方面位居世界前列。早在2014年中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)就成功實(shí)現(xiàn)了兩百千米距離上的量子通信，并且成功地讀取了量子態(tài)中的信息。2015年中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)再創(chuàng)佳績，成功實(shí)現(xiàn)了多自由度量子體系的隱形傳輸，打破了自1997年以來人類只能實(shí)現(xiàn)單一自由度量子隱形傳輸?shù)挠涗洠瑸橹袊孔油ㄓ嵓夹g(shù)的發(fā)展留下了濃墨重彩的一筆[1]。

2016年8月16日，我國在酒泉發(fā)射中心用長征2號運(yùn)載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空，這意味著我國在量子通信技術(shù)方面的研發(fā)再一次走在了世界的前列。“墨子號”作為中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)首批科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星之一，其主要任務(wù)是進(jìn)行星空地面高速量子密匙分發(fā)事件以及廣域量子密匙網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，為超遠(yuǎn)距離上的量子通信打下基礎(chǔ)。

在不久的未來，可以預(yù)見我國將形成天地一體化的量子通信系統(tǒng)，不僅可以確保我國網(wǎng)絡(luò)通信安全和國家安全，也能夠用于金融、商業(yè)、百姓日常通信等多個(gè)領(lǐng)域，做出重大現(xiàn)實(shí)貢獻(xiàn)。

4. 量子通信技術(shù)的發(fā)展前景及缺陷

4.1 發(fā)展前景

第一，軍事領(lǐng)域的安全通信。量子通信技術(shù)的絕對安全的特點(diǎn)很好地符合了軍事領(lǐng)域?qū)τ谕ㄐ诺囊蟆３鲇谲娛掳踩蛧野踩目紤]，軍事領(lǐng)域中的信息傳遞必須保證絕對的安全性，而為此我國也投入了巨額資金來開發(fā)各種保密技術(shù)。而量子通信技術(shù)的發(fā)展可謂是一勞永逸地解決了通信技術(shù)的安全問題，其高效性也保證了各種軍事信息傳輸?shù)男剩兄趲椭覀冊谖磥淼男畔⒒瘧?zhàn)爭中獲取更大的優(yōu)勢。

第二，可作為儲存重要信息的載體。我國每年都會(huì)耗費(fèi)巨資來升級和建設(shè)重要信息的儲存空間，以滿足我國不斷增長的儲存重要信息的需求。而用量子通信技術(shù)來儲存信息，其高度的安全性不僅可以保證所有的機(jī)密信息絕對不會(huì)被第三方獲知，其無限的容量也可以滿足未來我國對于機(jī)密信息儲存的空間要求。

第三，將量子信息與互聯(lián)網(wǎng)概念相結(jié)合。雖然當(dāng)前人們已經(jīng)進(jìn)入了大數(shù)據(jù)時(shí)代，但是人們對于數(shù)據(jù)的利用還是受到了諸多因素的限制。將量子信息與互聯(lián)網(wǎng)概念相結(jié)合，量子信息的高效率、大容量將徹底解決人們應(yīng)用大數(shù)據(jù)的各種障礙，滿足對于網(wǎng)絡(luò)信息的任何需求，對于我國經(jīng)濟(jì)以及科技的發(fā)展有無可比擬的優(yōu)勢。

4.2 缺陷

對于環(huán)境的適應(yīng)性不強(qiáng)是量子通信技術(shù)當(dāng)前應(yīng)用的最大缺陷。由于粒子的狀態(tài)很容易受到外界的影響而改變，在量子通訊的過程中任何外界的干擾都會(huì)直接導(dǎo)致通信內(nèi)容的變化，在實(shí)驗(yàn)的過程中是嚴(yán)格控制了外界的干擾才能夠得到正確的信息，而在實(shí)際運(yùn)用的過程中，這種外界對于量子通信的干擾基本上是無可避免的，如果無法保證傳輸信息的準(zhǔn)確性，那么這種通信技術(shù)也沒有使用的價(jià)值。此次墨子號就肩負(fù)著探索太空量子信息傳遞的重任，太空中各種粒子眾多，對于量子通信傳輸準(zhǔn)確度的影響也較大，如果墨子號能夠成功實(shí)現(xiàn)太空與地面之間的量子信息通訊，破解外界干擾量子信息通信的難題，量子通信技術(shù)最大的缺陷也將不復(fù)存在[2]。

此外，現(xiàn)有的光學(xué)量子設(shè)備的體積和質(zhì)量都比較大，如此專業(yè)的設(shè)備也需要專業(yè)的人員進(jìn)行操作才能實(shí)現(xiàn)通訊，要想實(shí)現(xiàn)量子通訊技術(shù)的真正普及，還需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)量子設(shè)備的便攜化，進(jìn)一步降低光學(xué)量子設(shè)備的成本，降低其操作的難度。而在這一點(diǎn)上，量子通信技術(shù)還有相當(dāng)長的一段路要走。

5. 結(jié)語

量子通信技術(shù)的特點(diǎn)決定了其在通訊技術(shù)方面無可比擬的優(yōu)勢，這也是量子通訊技術(shù)近年來迅猛發(fā)展的原因所在。長期看來，量子通信技術(shù)在國家信息安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及其他方面都有巨大的應(yīng)用潛力，而在量子通信技術(shù)的應(yīng)用方面我國也已走在了世界的前列，雖然量子通信技術(shù)還存在一定的缺陷，但是相信隨著科研人員的不懈努力，量子通信技術(shù)必將成為21世紀(jì)的主要信息交流方式。

[1]韓寶彬,裴昌幸.自由空間量子通信系統(tǒng)分析[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011(60:574-576.

[2]趙士成,史鵬,李文東等.水下量子通信的數(shù)值模擬及誤碼率分析[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016(2):131-137.