量子通信發展綜述

雷濟宇 重慶市育才中學校

1 量子通信原理

量子通信是量子信息學的一個重要分支，是量子信息中研究較早的領域。量子通信是以量子態作為信息單元來實現信息的有效傳送的。在量子通信中，除了需要傳統的經典信道外，更為主要的還需建立通信各方之間的量子信道。所謂量子信道實際上就是通信各方之間的量子糾纏。量子糾纏是量子力學不同于經典物理的存在于多子系量子系統中的一種最奇妙、最不可思議的現象，即對一個子系統的測量結果無法獨立于其他子系的測量參數。

首先，由于量子是最小的能量單位，竊聽者無法將量子切割成兩部分，讓其中一部分繼續傳送，而對另一部分進行狀態測量獲取密鑰信息；第二是通信絕對保密，由于任何試圖竊聽、觀察都會引起光子量子態坍塌，因此不可能被竊聽，任何的竊聽、復制、測量行為，都會改變量子狀態，竊聽者也不能截取量子之后，去測量它的狀態，因為這樣竊聽行為會暴露；第三，就是量子物理學中的“不確定性原理”，不可能同時知道一個粒子的位置和它的速度，因此，未知的量子態無法被精確復制用來竊聽。由于量子具有“不可分割”“不確定性”“不可克隆”等特性。目前來看，量子保密通信，從原理上確保身份認證、傳輸加密以及數字簽名等的無條件安全，是最有保障的通信方式。量子通信仍是目前為止唯一被嚴格證明可提供無條件安全的保密通信手段。

2 量子通信的意義

量子通信最大的優勢就是保密，并且超光速通信。這種通信方式確立之后，在軍事上的用途非常廣泛，例如以光纖為基礎的國家聯合作戰通信基礎網一旦被竊聽或者木馬入侵，即可造成嚴重的失泄密、破壞性后果，甚至造成整個作戰體系癱瘓。而一旦量子通信得到運用，在沒有正確身份權限的情況下，即使美國人（或者外星人）也不可能入侵得了中國的軍事網絡。

3 量子通信的發展

3.1 量子通信的發展歷程

1984年美國IBM公司科學家提出了首個量子密鑰分發協議——BB84協議，使量子通信的研究從理論走向了現實。2005年美國學者提出了多強度誘騙態調制方案，解決了量子密鑰分發系統中的弱相干光源多光子的安全漏洞，為量子通信的實用化打開大門。

隨著量子密鑰分發技術的發展和逐步成熟，世界各國試點應用呈現快速發展趨勢。2003年哈佛大學建立了世界首個量子密鑰分發保密通信網絡。此后，歐、美、日等多個地區和國家相繼建成了多個量子通信實驗網絡。國內量子通信的試點應用起步稍晚但發展迅速。2007年中國科學技術大學在北京實現了國內首個光纖量子電話。2014年，量子通信“京滬干線”項目通過評審并開始建設。中國科學院牽頭的戰略先導專項“量子科學實驗衛星”計劃，由中國科學技術大學、中國科學院研究所和中國航天科技集團第八研究院合作，發射了全球首顆量子通信衛星。2017年，世界首條量子保密通信干線——“京滬干線”正式開通。

3.2 量子通信的產業化推廣

量子通信的戰略意義吸引了各國科研機構的關注，國外成立了多個專門從事量子通信技術成果轉化和商業推廣的實體公司。國家也對量子通信領域持續的專項投入和政策扶持為其發展提供了強勁動力。2015年，中國科學院、中國科學技術大學和科大國盾量子等機構在北京共同發起組建了“中國量子通信產業聯盟”。

業內人士介紹，量子保密通信技術的實際應用分三步走，一是通過光纖實現城域量子通信網絡;二是通過量子中繼器實現城際量子通信網絡;三是通過衛星中轉實現可覆蓋全球的廣域量子通信網絡。

2017年3 月，阿里云宣布網商銀行一組信貸數據采用量子技術在專有云上完成了量子加密通訊試點，這是業界第一個云上量子加密通訊案例。未來阿里云計劃逐步將政務、金融、電子商務等各種類型的云態遷移到量子安全域。

雖然基于量子密鑰分發的量子通信產業化目前已經取得了一定進展，但是大規模的應用推廣仍然面臨一系列的困難和挑戰，主要包括：初期市場規模和用戶群體有限；產業化供應鏈的建立尚需時日；技術驗證與標準規范研發滯后；系統應用需要基礎設施資源的支持。

4 結論

量子通信作為未來信息通信行業的一個新興戰略性制高點，已經成為國家科技實力競爭的主戰場之一，同時也是我國在高新技術研究與應用領域為數不多的與國際發展保持同步并且有望實現跨越引領的突破口。但仍需清醒地認識到，量子通信的應用發展仍然面臨從技術產業到測評標準等多方面的瓶頸和局限。今后，在技術、產業和標準等方面取得進展和突破的前提下，量子通信在國家信息安全領域和產業中將發揮重要作用，具有廣闊的應用前景。

[1]蘇曉琴，郭光燦.量子通信與量子計算[J].量子電子學報，2004，(06):706-718.