星地量子通信的原理与实现历程及其应用分析

随着当今世界信息技术的迅猛发展，以微电子技术为基础的信息技术即将达到物理极限，而以量子效应为基础的量子通信，则正在逐步成为引领未来科技发展的重要领域，即将开启一次新的技术革命。量子通信是一种利用量子力学基本原理、量子系统特有属性以及量子测量方法来实现信息传递的通信技术。目前量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等技术。近来这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化不断发展。由于高效率和绝对安全等特点，量子通信已成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。

奇妙的量子现象

众所周知，人类的科技革命都得益于对客观世界认知的进步，如第二次科技革命就是基于19世纪初电磁学领域的一系列重要发现。同样，量子通信技术的快速发展正是基于20世纪众多科学家对量子领域的不断开拓。对量子通信来说最重要的两个理论基础便是不确定性原理和不可克隆原理。

在微观领域中，某些物理量的变化是以最小的基本单位跳跃式进行的，并不是连续的，这个最小的基本单位叫做量子，如原子、电子、光子等。一个世纪以来，人类对量子的研究已经逐渐形成了一门重要的学科——量子力学。

1927年德国著名科学家海森伯提出了量子力学的不确定性原理，它表明：一个量子的某些物理量（如位置和动量，或方位角与动量矩，还有时间和能量等），不可能同时具有确定的数值，其中一个量越确定，另一个量的不确定程度就越大。测量一对共轭量的误差（标准差）的乘积必然大于常数h/2π（h是普朗克常数）。它反映了微观粒子运动的基本规律。

而量子的不可克隆则是另一条量子力学的基本原理：量子被认为是不可复制的。如果一枚旋转着的硬币是量子世界中一个物体，一旦你要复制它，势必要对它进行测量，这种外来的行为就会改变它的运动状态。也就是说，任意量子的状态，在受到复制或测量时，都会发生变化。换个角度说，量子一旦被测量过，就不再是原来的那个量子了。

原子

分子

光子

以上是物理量的基本单元

在量子力学中存在着另一重要的奇特现象——纠缠效应。在量子物理中，有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系，不管它们被分开多远，只要一个粒子发生变化就能立即影响到另外一个粒子，即两个处于纠缠态的粒子无论相距多远，都能“感知”和影响对方的状态，这就是量子纠缠现象。

尽管爱因斯坦最早注意到微观世界中这一现象的存在，但却不愿意接受它，并斥之为“幽灵般的超距作用”。他认为宇宙的组成部分是相互独立的，它们之间的相互作用受到了时空的限制，是定域性的。为此，爱因斯坦与另一位科学巨人玻尔，在量子力学的物理诠释以及相与俱来的科学哲学问题上展开了激烈交锋，史称“关于物理学灵魂的论战”。以玻尔为代表的哥本哈根学派认为任何两个物质之间，不管距离多远，都有可能相互影响，不受四维时空的约束，是非定域的，宇宙在冥冥之中存在深层次的内在联系。这场深刻的科学和哲学问题争论一直持续了很多年，成为了科学发展史上的一个重大事件。

为支持玻尔的理论，物理学家贝尔在1964年提出了著名的贝尔不等式，以论证量子物理必须违背定域性原理。近些年来，贝尔不等式已通过了各种各样的实验验证，实验所得到的结果符合量子力学理论的预测，并且显示某些量子效应貌似能够以超光速行进。主流量子力学教科书也已将贝尔定理视为基础物理定理。在1982年，法国物理学家阿斯佩（A. Aspect）和他的小组成功地完成了一项实验，证实了微观粒子“量子纠缠”的现象确实存在。

不可破译的量子密钥

随着信息技术的持续、快速发展，人们已经越来越多地依赖通信网络进行工作和生活，大量敏感信息需要通过通信网络传播，人们需要对自己的信息进行保护以免被窃取或篡改，密码学为人们提供了此类的保证。然而当前普遍使用的以数学为基础的密码体制始终存在着被破译的风险。随着密码学的发展，科学家们提出了量子密码的概念，并把它成功地应用于通信系统中。与以往的密码体制不同，量子密码以量子力学中的不确定性原理和不可克隆原理为基础，用量子状态来作为信息加密和解密的密钥——量子密钥。量子通信过程中如果存在窃听或者对信息的复制，就是一种测量行为。通过这两个量子力学的基本原理可知，窃听者永远无法测得量子体系的全部信息并获得复制品，也无法掩盖窃听行为的存在。因此从理论上讲，量子通信是绝对安全的。

爱因斯坦与玻尔关于“物理学灵魂”的论战   玻尔所代表的哥本哈根学派认为世界任何物质的存在都是一种概率，比如一个量子可以以一定概率处于任何状态，对其测量导致了概率的塌缩。测量就像掷骰子一样，测量的结果什么可能都有，但又有一定概率。爱因斯坦所代表的经典学派则认为，我们的世界是一种客观存在，是确定的，并不应该是一种概率，他认为“上帝是不会掷骰子的”。从某种意义上来说这张图表达了两种思想的矛盾。

在以量子纠缠效应为基础的量子通信中，科学家们巧妙地利用了量子纠缠现象实现了密钥的制作，即通信双方密码本的制备。在正式通信前，通信双方事先储备了大量的纠缠粒子对。当通信一方对自己这边的纠缠粒子进行一定操作时，通信另一端处于纠缠状态的粒子就会有相应的反应，通信双方便可以利用这种“感知”，建立起默契，制作出通信所需的密钥。

另一种产生量子密钥的方法，则是被称作BB84的方案。两位科学家贝内特（C. H. Bennett）和布拉萨德（G. Brassard）在威斯纳（S. Wiesner）的电子钞票启发下，于1984年提出了这个量子密码分配协议，后来被命名为BB84方案。该分配方案利用单个光子来携带一个比特的信息，根据量子的不可分割性，这一个比特的信息也是不可分的，也就无法用分流信号的办法来窃听。而光子的多个物理量都可以用来携带这一个比特的信息，例如光子的偏振态。每个光子都有一个偏振方向，且光子的线偏振和圆偏振又不可同时测量，这样便可以有效地利用不确定性及不可克隆原理来实现密钥分配。

BB84方案为两个遥远的用户之间建立无条件安全的量子密钥提供了一个强有力的途径。然而在实际应用中，理想的单个光子尚未实用化。现在量子密钥分配方案中常见的光源为激光光源，其量子态为相干态——多个光子具有相同的量子态。如果采用含有多光子的光源进行密钥分发，将会存在安全性隐患。窃听者可以采用光子数分离攻击的方法来威胁密码的安全性。窃听者可以对通信一方发射的光子数进行测量，如果光子数等于1，则吸收该光子；如果光子数大于1，窃听者则从中分离一个光子给自己，再将剩余的光子发射给通信接收一方，从而实现窃听。诱骗态量子密码方案，则是用于抵抗这种分束攻击的有效方法。其基本原理是发送方随机地使用两个波长、线宽等物理常数都相同，只有强度不同的弱相干态光源。其中一个称为信号态，用于量子密钥分配，另一个称为诱骗态，用于探测窃听者的存在，由于两个态的比例是确定的，一旦有人进行光子数分离攻击，两个态的比例就会发生变化，从而发现被窃听。这种方法在量子通信的同时，实现了对通信信道安全的实时监控，从而保证了安全。

量子通信的实现历程

量子通信可有效对抗窃听行为

通过BB84方案或是量子纠缠效应，通信双方就可以获得用于对通信信息进行加密的密钥。由于环境噪声和窃听者的存在，量子通信还需要量子传输、数据筛选、数据纠错、保密增强四个过程。

通常一个典型的量子通信系统的实现可以大致这样描述：发送者制备需要传递的明文，使用通过量子密钥分配（或者其他的方法）获得的密钥加密明文，获得编码后的密文。密文经通信介质发送给接收者。接收者通过探测接收到密文后，利用此前获得的密钥进行解密，得到明文，最后解码获得相关信息。依此便可实现量子通信。

可以利用量子纠缠产生通信密钥

为了让量子通信从理论走到现实，从２0世纪末开始，国内外科学家做了大量的研究工作。自1993年美国IBM公司的研究人员提出量子通信理论以来，美国国家科学基金会和国防高级研究计划署都对此项目进行了深入的研究；欧盟在1999年开始集中国际力量致力于量子通信的研究，研究项目已多达12个；日本邮政省更是把量子通信作为21世纪的战略项目；我国从1980年代开始从事量子光学领域的研究，近几年来，中国科技大学的量子研究小组在量子通信方面也已取得了突出的成绩。

2002年10月5日，德国慕尼黑大学和英国军方下属的研究机构合作，在德国和奥地利边境相距23.4公里的楚格峰和卡尔文德尔峰之间用激光成功传输了光子密钥。

2003年，韩国、中国、加拿大等国学者提出了诱骗态量子密码理论方案，彻底解决了真实系统和现有技术条件下量子通信的安全速率随距离增加而严重下降的问题。

2004年6月3日，美国BBN技术公司建立了6节点量子密码通信网络。

2006年夏,中国科技大学量子研究小组、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、欧洲慕尼黑大学-维也纳大学联合研究小组各自独立实现了诱骗态方案，同时实现了超过100公里的诱骗态量子密钥分发实验，由此打开了量子通信走向应用的大门。

2008年年底，我国成功研制了基于诱骗态的光纤量子通信原型系统，在合肥成功组建了世界上首个3节点链状光量子电话网，成为国际上报道的绝对安全的实用化量子通信网络实验研究的两个团队之一。

2009年9月，我国又在3节点链状光量子电话网的基础上，建成了世界上首个全通型量子通信网络，首次实现了实时语音量子保密通信。这一成果在同类产品中位居国际先进水平，标志着中国在城域量子网络关键技术方面已经达到了产业化要求。

2010年9月，中国科技大学、中科院上海技术物理研究所、中科院光电研究所等量子通信研究团队强强合作，在青海湖畔实现了世界上首次浮空平台和卫星运动模拟的量子密钥分配实验，这也标志我国已突破了建立星地量子通信的关键技术，为将来实现全球量子通信网络打下了坚实的基础。

星地量子通信的“中国梦”

目前，量子通信系统的应用研究基于传输介质的不同主要有两种，即光纤和自由空间的量子通信。

以光纤为依托，融激光技术、光纤技术、计算机技术、通信技术、网络技术等为一体的，以交互方式传递信息数据的“信息高速公路”已经广泛使用，相关技术已经比较成熟，这些都为进行基于光纤的量子通信提供了有利条件。如今光纤量子通信的研究成果已经接近于实际应用，可以预见在最近几年内光纤量子通信系统就能够应用于实际的保密通信中。但是由于地球曲率的影响和光纤损耗的增加，在地面实施远距离量子通信很困难，如光纤中的光子衰减问题，使得纠缠态的两点之间距离最多只有100公里。而光子在自由空间中传输可大大突破这种传输距离限制，因此星地量子通信成为一种更好的选择。

星地自由空间的量子通信

要在浩瀚的宇宙中实现卫星与地面之间的量子通信，首先要通过一个捕获、跟踪、瞄准（acquisition tracking and pointing, ATP）系统建立起量子密钥分配所需的通信信道。而为星地激光通信发展起来的光学定位、探测和跟踪等技术为此提供了技术上的支持。密钥分配的通信链路建立之后，通信系统利用单光子偏振态加载信息，根据相应的量子密钥分配协议，便可在通信两端产生绝对安全、无法窃听的共享密钥。明文以此密钥加载，就可以通过经典信道进行传输，从而实现星地间的量子通信。通过卫星这个载体，不但能够实现星地的量子通信，而且能够实现全球任意点对点的量子通信。

为应对自由空间量子通信领域内激烈的国际竞争，中国科学院于2008年启动了知识创新工程重大项目——空间尺度量子实验关键技术研究与验证试验。在此后的5年时间里，整个科研团队在潘建伟院士领导下，经过不懈努力，已经取得了多项重要进展。如：成功研制了星载量子通信所需的ATP系统样机，提出了完整的星地量子通信系统方案，攻克了星地量子通信的核心关键技术，并在美丽的青海湖畔顺利完成了世界上首次浮空平台量子密钥分发试验、百公里双向量子纠缠分发试验、百公里量子隐形传态试验等。在项目执行期间，研究团队共发表论文几十篇，其中多篇论文发布在《自然》周刊或其子刊、《美国科学院院刊》、 《物理评论快报》等国际性学术刊物上。更为重要的是该项目为我国在空间量子通信领域培养了一支优秀而且年轻的队伍，为我国在该领域内的长远发展和保持国际领先地位奠定了坚实基础。

纵观世界，现在已有多个国家开展了将量子通信应用于卫星平台的计划，我们国家对此也是雄心勃勃，中国科学院抓住机遇，开始实施量子科学卫星计划。目前计划在2016年左右，以我们国家为主导发射一颗量子科学实验卫星，能够实现从北京到新疆，乃至国际上其他站点之间的量子通信网络。这也是中国科学院空间科学战略性先导科技专项中首批确定的五颗科学实验卫星之一，该项目能够提供一个卫星与地面间远距离量子科学实验的平台，并在此平台上完成空间大尺度量子科学实验。  

回顾我国科研工作者在量子通信领域内的多年付出，可以欣慰地看到中国正在该领域悄然崛起。正如《自然》周刊的评论：“中国在量子通信领域内，已从十年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅，并将领先于欧洲和北美。”因为历史上的种种原因，中国已经错失了前四次科技革命带来的机遇，在第五次科技革命中，中国也只是一个跟踪者，而且是一个没有取得优良成绩的跟踪者。面对即将到来的新变革，我辈自当奋发图强，抓住机遇实现宏伟的“中国梦”，在历史上写下属于自己的华丽篇章，真正实现跨越式的发展，让光子舞动于广袤的宇宙空间。