量子通信原理与技术及发展史

　　量子通信是利用了光子等粒子的量子纠缠原理。量子信息学告诉人们，在微观世界里，不论两个粒子间距离多远，一个粒子的变化都会影响另一个粒子的现象叫量子纠缠，这一现象被爱因斯坦称为“诡异的互动性”。科学家认为，这是一种“神奇的力量”，可成为具有超级计算能力的量子计算机和量子保密系统的基础。

　　量子态的隐形传输在没有任何载体的携带下，而只是把一对携带信息的纠缠光子分开来，将其一的光子发送到特定的位置，就能准确推测出另一个光子的状态，从而达到“超时空穿越”的通信方式和“隔空取物”的运输方式。所谓量子隐形传态利用了纠缠态粒子之间的特殊“心灵感应”，即不论相隔多远，只要两个粒子仍然保持着纠缠态，其中一个发生了变化另一个一定发生相应的变化。

　　1993年，Bennett等来自四个国家的六位科学家演示了第一种量子隐形传态方案，其过程如下：

　　Alice与Bob分别拥有一对纠缠粒子对2，3中的2与3.Alice要向Bob发送消息，Alice对某粒子1的当前状态未知，她将联合测量粒子1与2。因为测量，所以粒子1与2发生了变化，由于2与3是纠缠态粒子，于是3也会发生相应的变化。Alice通过经典信道将测量结果告诉Bob，Bob对3进行一系列操作将能得到粒子1的最初状态。

　　量子通信的安全性源于量子力学的基本原理：

 

　　一是不确定性原理，也称测不准原理，即不可能同时精确测量两个非对易的物理量，如量子的坐标和动量。

　　二是测量塌缩原理，即对量子态进行测量会不可避免地使该量子态塌缩到某一个本征态上，这意味着对量子态进行测量都会留下痕迹。

　　三是不可克隆定理，即一个未知的量子态是无法被精确克隆的。

　　此外还有量子纠缠态，相互纠缠的两个粒子无论被分离多远，一个粒子状态的变化都会立即使得另一个粒子状态发生相应变化的现象。

       量子通信技术及发展史

　　量子信息技术最为重要的两项应用是量子通信与量子计算机。量子通信是迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式，与传统通信技术相比，具有极高的安全性、保密性、信息传递效率与抗干扰性能，被认为是下一代通信领域的支撑性技术。而在摩尔定律正在失效、现代计算机芯片的结构性能在经典物理领域内无法进一步得到提升的当下，量子计算机将在海量信息处理、重大科学问题研究等方面产生巨大影响，为经济的发展、科技的进步、国防军事实力以及国家国际地位的提高做出突出贡献。

　　量子信息技术的重要战略意义使其已成为全球物理学研究的前沿与焦点领域：全球最大的独立科技研发机构美国Battelle公司于2014年提出，计划在未来建立连接美国主要城市、总长超万公里的环美国量子通信网络；欧洲科学家团体提出了以维也纳为中心，西至爱丁堡，东至雅典，北至奥斯陆，南至里斯本的多横多纵的光纤量子骨干网计划；2015年世界最大的芯片制造商Intel公司宣布投入巨资与荷兰代尔夫特理工大学合作研发基于硅量子点的量子计算机，以期抢占半导体量子计算机研制的制高点；2016年欧盟宣布将于2018年启动总额10亿欧元的量子技术项目，促进包括通用量子计算机等在内的多项量子技术的发展。

　　1993年，C.H.Bennett提出了量子通讯的概念;同年，6位来自不同国家的科学家，提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案：将某一个粒子的未知量子态传送到另一个地方，把另一个粒子制备到该量子态上，而原来的粒子仍停留在原处。其基本思想是：将原物的信息分成经典信息与量子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物质进行某种测量而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息；接收者在获得了这两种信息后，就可以制备出原物量子态的完全复制品。该过程中传送的仅仅是原物质的量子态，而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的粒子处于原物质的量子态上。在这个方案中，纠缠态的非定域性起着极其重要的作用。量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识和揭示自然界的神秘规律具有重要意义，而且能用量子态作为信息载体，通过量子态的传送完成大容量信息的传输，实现了原则上不可破译的量子保密通信。

　　量子通信技术的研究方向除了包括量子隐形传态还包括量子安全直接通信等，突破了现有信息技术，引起了学术界和社会的高度重视。与传统通信技术相比，量子通信除具有超强抗干扰能力外且不需对传统信道进行借助；与此同时量子通信的密码被破译的可能性几乎没有，具有较强的保密性；另外，量子通信几乎不存在线路时延，传输速度很快。量子通信发展仅仅经历了20年左右，但其发展却十分迅猛，目前已经被很多国家和军方给予高度关注。

　　量子通信在国防和军事上具有广阔的应用前景，作为量子技术的最大特征，量子技术的安全性是传统加密通信所无可企及的。量子通信技术的超强保密性，能够有效保证己方军事密件和军事行动不被敌方破译及侦析，在国防和军事领域显示出无与伦比的魅力。另一方面，在破解复杂的加密算法上，也许现有计算机可能需要好几万年的时间，在现实中是完全无法接受且几乎没有实用价值的。但量子计算机却能在几分钟内将加密算法破解，如果未来这种技术被投入实用，传统的数学密码体制将处于危险之中，而量子通信技术则能能够抵御这种破解和威胁。此外，在民间通信领域量子通信技术的应用前景也同样广阔。中国科技大学在2009年对界上首个5 节点的全通型量子通信网络进行组建后，使得实时语音量子保密通信被首次实现，城市范围的安全量子通信网络在这种“城域量子通信网络”基础上成为了现实。

　　各国正是瞅准了量子通信技术的无限应用前景，纷纷加大对量子通信技术方面的投入力度。在未来的量子通信技术还应注意一些关键性的问题，如单光子源成本的降低、通信传输距离的加大以及检测概率的增强等，都仍需要进一步的研究。