量子通信

量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式，是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信具有高效率和绝对安全等特点，是目前国际量子物理和信息科学的研究热点。

1、简介

量子信息是量子物理与信息技术相结合发展起来的新学科，主要包括量子通信和量子计算2个领域。量子通信主要研究量子密码、量子隐形传态、远距离量子通信的技术等等；量子计算主要研究量子计算机和适合于量子计算机的量子算法。

2、原理

广义地说，量子通信是指利用量子比特作为信息载体来传输信息的通信技术。量子通信内涵很广泛，量子隐形传态、量子保密通信、量子密集编码等都属于量子通信范畴。由于量子保密通信是目前最接近实用化的量子信息技术，也是人类目前掌握的唯一的无条件安全密码技术，故此日常提到量子通信时常特指量子保密通信。　　

量子相干迭加会带来奇特的量子特性。例如，对于一个未知状态的单光子，要想精确复制它的状态是不可能的，这称为量子不可克隆原理。这是因为，若要对单光子的状态进行复制，就要首先对其进行测量，但量子相干迭加决定了测量会对单光子的状态产生扰动，因此无法获得其状态的精确信息，也就无法实现对其状态的精确复制。　　

单个光量子不可分割和量子不可克隆原理这些量子世界的奇特性质，可以为我们提供一种新型的安全通信方式，我们称为量子密钥分发、量子保密通信或简称为量子通信。在量子通信过程中，发送方和接收方采用单光子的状态作为信息载体来建立密钥。窃听者可能用三种方法进行窃听。第一种方法是将单光子分割成两部分，让其中一部分继续传送，而对另一部分进行状态测量获取密钥信息。但由于单光子不可分割，因此这是不可能实现的。第二种可能的方法是窃听者截取单光子后，测量其状态，然后根据测量结果发送一个新光子给接收方。但由于窃听者不能精确地对光子的状态进行测量，发送给接收方的光子状态与其原始状态会存在偏差。这样，发送方和接收方可以利用这个偏差来探测到窃听者对光子的测量扰动，从而检验他们之间所建立的密钥的安全性。第三种可能的方法是窃听者截取单光子后，通过复制单光子的状态来窃取信息。但按照前面所讲的量子不可克隆原理，未知的量子态不可能被精确复制。因此，量子通信是基于量子力学的基本原理，无论是现在还是将来，无论破译者掌握了多么先进的窃听技术、多么强大的破译能力，只要量子力学规律成立，由量子通信建立起的秘密信息系统就无法被破解。

虽然采用诱骗态方案在光纤中可以实现百公里级的城际量子通信网络，但由于光子易被光纤吸收，造成损耗，导致信号在光纤传送的过程中越来越弱；而且根据量子力学原理，量子信号不能被复制，所以不能被放大。因此仅仅利用光纤难以实现远距离的量子通信。为了解决这个问题，有两种可行的途径。一种是利用所谓的“量子中继”，形象化的说法即“量子接力”：将相距较远的通信线路分为数段，每一段的损耗因此较小，然后在量子中继的帮助下，把光子携带的信息一段段如同接力赛一样向前传递，从而实现远距离的量子通信。另一种是*空间单光子传输。这是由于大气对某些波长的光的吸收有限，而且大气层越到高空越稀薄，光子在穿透整个垂直大气层过程中的损耗仅相当于在靠近地面的水平大气中飞行10公里左右的损耗，到了外层空间则几乎没有光损耗，因此可以突破大气层通过卫星的中转实现数千公里甚至是全球化的量子通信。

3、发展

两束激光束以稍微不同的频率发射像猫脸一样的图像(显示具有偏离橙色和紫色的色彩)揭示了扭曲的线条中的细节，显示了纠缠在一起的两幅图像中存在的随机波动。

追溯量子通信的起源，还得从爱因斯坦的“幽灵”——量子纠缠的实证说起。

由于人们对纠缠态粒子之间的相互影响一直有所怀疑，几十年来，物理学家一直试图验证这种神奇特性是否真实。

1982年，法国物理学家艾伦·爱斯派克特（AlainAspect）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”（quantumentanglement）的现象确实存在，这一结论对西方科学的主流世界观产生了重大的冲击。从笛卡儿、伽利略、牛顿以来，西方科学界主流思想认为，宇宙的组成部份相互独立，它们之间的相互作用受到时空的限制（即是局域化的）。量子纠缠证实了爱因斯坦的幽灵——超距作用（spookyactioninadistance）的存在，它证实了任何两种物质之间，不管距离多远，都有可能相互影响，不受四维时空的约束，是非局域的（nonlocal），宇宙在冥冥之中存在深层次的内在联系。

在量子纠缠理论的基础上，1993年，美国科学家C.H.Bennett提出了量子通信（QuantumTeleportation）的概念。量子通信是由量子态携带信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程。量子通信概念的提出，使爱因斯坦的“幽灵（Spooky）”——量子纠缠效益开始真正发挥其真正的威力。

1993年，在贝内特提出量子通信概念以后，6位来自不同国家的科学家，基于量子纠缠理论，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，即将某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，而原来的粒子仍留在原处，这就是量子通信最初的基本方案。量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义，而且可以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，实现原则上不可破译的量子保密通信。

1997年，在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态”，作为信息载体的光子本身并不被传输。

经过二十多年的发展，量子通信这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展，主要涉及的领域包括：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。

4、通讯距离

*空间量子通信的极限距离需要对应到实际的空间环境条件，比如说地面大气条件下，衰减比较大，可能只能传输10公里，而星地之间，由于外太空处于真空状态，衰减较小，所以通信距离可以达到数百公里以上。

5、载体

量子通信必须借助于载体。即便使用纠缠效应，也需要先进行纠缠分发，仍然需要物理实体的传递。

6、网络基站

40M量子网关

量子通信网络中的量子集控站，类似于传统的通信基站。集控站中包括光量子交换机、量子通信服务器和量子密钥分发终端。利用多个量子集控站组成多种网络拓扑，可以提高组网的灵活性和稳定性，能方便地对量子通信网络进行扩展，扩大量子通信网络的覆盖面积，大大扩展通信距离。

设备

量子信号接收机为单光子探测器，用于配合量子信号发射机实现点对点的量子密钥分发（QKD）。除了用于量子通信之外，单光子探测器还在量子成像、激光测距、激光雷达等领域有诸多应用。

光量子交换机，用于多个QKD终端设备间量子信道的搭建，是量子通信网络中实现量子信道共享的设备，位于网络拓扑的汇聚节点，集中管理网络信道资源。

量子网络站控设备，即量子集控站，由光量子交换机、量子通信服务器和量子密钥分发终端组成。利用多个量子集控站组成多种网络拓扑，可以提高组网的灵活性和稳定性，能方便地对量子通信网络进行扩展，扩大量子通信网络的覆盖面积，大大扩展通信距离。已建成的“合肥城域量子通信试验示范网”和“济南量子通信试验网”，都是基于量子集控站实现的多用户量子通信网络。

量子安全网关，是量子通信网络组网的核心设备，集成了量子密钥分发与管理和数据加解密的功能，内部集成有光源、探测器和电子学板卡，能够实现普通电话、传真、IP电话、视频会议及文件传输等的应用接入，对语音、视频、数据等使用量子密钥进行高安全保密通信。

量子密钥分发网络密码机，是国内商用密码领域首款量子密码机，该产品创新性地将量子密钥分发技术与传统商用密码技术有效融合，可实现大容量、高性能的网络数据加密传输。相比传统网络安全设备，该产品不仅确保了敏感的密钥分发过程的安全性，而且密钥更新速度更快、业务密钥生命周期更短，从而使系统的安全性得以大幅提升，满足了各种基于网络的应用系统对信息安全的需求。

7、无线应用

量子信号的无线传播（*空间传播）是可能的，但是在光的频谱上，这种传输定向性强，越障能力差，因此并不适合做无线基站这样的应用。在微波频段上实现量子信号的调制和探测理论上也是可能的，但是由于量子态不可复制，因此对于接收者来说，非定向的传播信道是一个损耗极高的信道。这限制了量子通信的距离。因此，量子通信无线基站的技术可行性是不大的，而量子通信无线热点的技术可行性还是有的。

但是，基于手机通过数据线、存储卡的方式，连接量子通信终端，获取量子密钥，并用之完成数据加密、认证，保护手机的信息安全的做法，使手机能够接入量子通信网络是可行的，但也需要对手机进行适应性改造，科大国盾量子已经在这方面有了一定的技术积累。

8、研究团队

陆朝阳（左）和潘建伟（右）

潘建伟团队在基于量子存储的量子中继研究方面处于国际领先地位。量子中继器的核心在于量子存储，一直以来都是重大的科学和技术挑战。没有量子存储器，实现量子通信的成本将随通道长度指数增加。2001年，结合线性光学和原子系综，旅美华人学者段路明及其同事建议了一个量子中继器实现方案（DLCZ方案），但是该方案难以在现实的通信环境中实现。为了克服相关的缺陷，2006年潘建伟团队又提出了一种容错的量子中继器方案（哈佛大学的Lukin小组也独立地提出了类似的理论方案），给出了一个原始的量子中继器的物理实现方法。基于这些方案，国际上有多个实验小组先后开展了原子系综相关的实验研究，如哈佛大学的Lukin小组、加州理工学院的Kimble小组、乔治亚理工学院的Kuzmich小组、中国科学技术大学和德国海德堡大学的潘建伟联合小组等。这方面的研究已取得了一系列激动人心的进展，包括实现了可控的单光子源、单光子的读出和异地存储、光子－原子系综纠缠等。2008年，潘建伟团队利用冷原子量子存储首次实现了具有存储和读出功能的纠缠交换，完美演示了量子中继器。2009年，该团队又将量子存储的时间提高到毫秒量级，较之前最好的结果提高了两个量级。2012年，该团队继续攻关，成功实现了3.2毫秒的存储寿命及73%的读出效率的量子存储，这是目前国际上量子存储综合性能指标最好的实验结果。

潘建伟团队还是国内唯一领衔开展*空间（星—地）量子通信实验研究的团队。2005年，该团队在国际上首次在相距13公里的两个地面目标之间实现了*空间的纠缠分发和量子通信实验，明确证明了光量子信号可以穿透等效厚度约10公里的大气层，从而实现地面站和卫星之间*空间保密量子通信。2007年，该团队在长城实现了16公里水平高损耗大气信道的量子态隐形传输，这是国际第一个远距离*空间隐形传态实验，实现了四个Bell态的完全测量和主动幺正变换。这一实验和基于卫星平台的量子通信实验研究一起，为真正实现地面与卫星间的量子通信实验积累了相关技术经验。2008年，该团队在上海天文台对高度为400公里的低轨卫星进行了星地量子信道传输特性试验，验证了星—地量子信道的传输特性，首次完成星—地单光子发射和接收实验。2012年至2013年间，该团队在青海湖实验基地实现了百公里*空间量子态隐形传输和纠缠分发，并实现了星地量子通信可行性的全方位地面验证。

9、研究成果

1984年，美国IBM公司的Bennett和加拿大蒙特利尔大学的BrAssard共同提出了第一个量子密码通信方案，即著名的BB84方案，标志着量子通信领域的诞生。当他们的论文第一次发表在一个会议上时，并没有引起广泛的关注。1992年，Bennett提出了简化的BB84方案（称为B92方案），并第一次在实验上原理性演示了量子密钥分发。此后，量子密码分配开始得到各方的重视。

从1993年到2005年这个阶段，实验技术发展迅猛。1995年，中国科学院物理研究所吴令安小组在实验室内完成了我国最早的量子密钥分发实验演示。2000年，该小组又与中国科学院研究生院合作利用单模光纤完成了1.1公里的量子密钥分发演示实验。2002年至2003年间，瑞士日内瓦大学Gisin小组和中国华东师范大学曾和平小组分别在67公里和50公里光纤中演示了量子密钥分发。2004年，英国剑桥Shields小组和日本NEC公司分别实现了122公里和150公里的光纤量子密钥分发演示性实验。2005年，中国科学技术大学郭光灿小组在北京和天津之间也实现了125公里光纤的量子密钥分发演示性实验。

到2005年时，国际上已经有三个实验小组声称可以将通信距离达到100公里以上。但随着理论研究上的进一步深入，却表明由于当时普遍使用弱相干光源模拟理论方案中的单光子源，当时所有的量子通信实验实际仍存在安全隐患，使得当时的安全通信距离只有10公里量级，不具有实用价值。

2005年，华人科学家王向斌、罗开广、马雄峰和陈凯等共同提出了基于诱骗态的量子密钥分发实验方案，从理论上把安全通信距离大幅度提高到100公里以上。

2006年，中国科学技术大学潘建伟团队在世界上首次利用诱骗态方案实现了安全距离超过100公里的光纤量子密钥分发实验。同时，美国LosAlamos国家实验室－美国国家标准局联合实验组和奥地利的Zeilinger教授领导的欧洲联合实验室也使用诱骗态方案实现了安全距离超过100公里量子密钥分发。这三个实验同时发表在国际著名物理学期刊《物理评论快报》上，真正打开了量子通信技术应用的大门。至此，量子通信得以从实验室演示开始走向实用化和产业化。

2015年，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室潘建伟院士、陆朝阳教授等完成的“多*度量子隐形传态”名列2015年度国际物理学领域的十项重大突破榜首。英国物理学会（InstituteofPhysics）新闻网站《物理世界》（PhysicsWorld）将其评为“年度突破”。在量子密钥分配方面，中国也取得260—300公里最大通信距离的好成绩。

2016年，美国国家航空航天局相关研究人员使用城市光缆实现了远距离量子传输，其通过“暗光缆”在加拿大卡尔加里市将激光光子传送了3.7英里。这次实验使用的传输媒介是研究人员称之为“暗光缆”光纤。这是研究人员脱离实验室环境在真实环境中进行的量子传输实验，其超过3.7英里的传输距离是新的实验记录，标志着人类向建成量子互联网迈出了重要一步。这项研究的相应成果发表在《自然光子学》（NaturePhotonics）杂志上，是美国国家航空航天局喷气推进实验室、加拿大卡尔加里大学以及美国科罗拉多州博尔德国家标准与技术研究所的合作项目。研究人员采用未经使用过的“暗光缆”进行量子传输，同时通过特别设计的光子传感器对传输光子进行检测。据悉，这是首次在现有的城市光缆中实验量子传输，也是首次在实际基础设施中实现长达3.7公里的光子传送。此前研究人员仅仅能够在实验室环境下实现这一距离的量子传送。

10、应用领域

量子密钥分发网络密码机

量子通信技术作为一种绝对安全的通信方式，可以从根本上解决国防、金融、政务、商业等领域的信息安全问题。

具体应用

现在量子通信技术应用最典型的例子就是建设量子通信网络，新闻报道的已经建成的有合肥城域量子通信试验示范网、覆盖济南市城区的济南量子通信试验网还有芜湖网，以及新华社新闻大厦和金融信息交易所之间的金融信息量子通信验证网，即将建成的城域网还包括北京城域量子通信网和上海陆家嘴金融量子保密通信应用示范网等。而将在2016年底建成的连接北京和上海的“京沪干线”将主要是推动金融、政务等方面的应用。比如它包含了网上银行数据的远程灾备应用、金融机构信息数据的采集应用、金融信息交易应用以及银行同城数据生产和灾备应用等。

中科院与阿里巴巴在上海合作成立量子计算实验室，签署“共同推动量子信息技术研发及应用的战略合作协议”，探索实用化的量子计算技术等。2015年，国科控股、科大国盾量子、阿里巴巴、中兴通讯等发起组建“中国量子通信产业联盟”。

11、产业发展

中国

中国量子通信产业相对起步较晚，但近几年发展比较迅速，现在已经有像科大国盾量子为代表的几家企业，从事量子通信产品研发的团队也比较庞大。目前在中国已建成的大规模城域量子通信网络也是最多最大的，中科院也将在山东成立量子通信产业应用的卓越分中心，关于量子通信产业标准也正在研究制定中。未来随着更大规模实用化量子通信网络和量子通信卫星的成功启用，量子通信产业发展将开启崭新的篇章。

2006年，中国科学技术大学潘建伟团队在有关国防部门的要求下开始开展量子通信装备预先研究项目。

2008年，该团队在合肥市实现了国际上首个全通型量子通信网络，并利用该成果为60周年国庆阅兵关键节点间构建了“量子通信热线”，为重要信息的安全传送提供了保障。

2009年，该团队又在世界上率先将采用诱骗态方案的量子通信距离突破至200公里。同年，中国科学技术大学郭光灿团队在芜湖市建成了国际上首个量子政务网。

2012年，潘建伟团队在合肥市建成了世界上首个覆盖整个合肥城区的规模化（46个节点）量子通信网络，标志着大容量的城域量子通信网络技术已经成熟。同年，该团队与新华社合作建设了“金融信息量子通信验证网”，在国际上首次将量子通信网络技术应用于金融信息的安全传输。

2012年底，潘建伟团队的最新型量子通信装备在北京投入常态运行，为“十八大”等国家重要政治活动提供信息安全保障。

*总书记2013年7月17日在中国科学院考察工作时发表重要讲话中指出的：“量子通信已经开始走向实用化，这将从根本上解决通信安全问题，同时将形成新兴通信产业。”

2013年，潘建伟团队又在核心量子通信器件研究上取得重要突破，成功开发了国际上迄今为止最先进的室温通信波段单光子探测器，并利用该单光子探测器在国际上首次实现了测量器件无关的量子通信，成功解决了现实环境中单光子探测系统易被黑客攻击的安全隐患，大大提高了现实量子通信系统的安全性。

2013年，“济南量子通信试验网”建成，该网络包括56个节点、90多个用户，面向完全承载实际应用、量子网络运维和优质的用户体验，是目前世界上最大的城域量子通信网络；

2014年1月，为加快促进科技跨越发展，中国科学院“量子信息与量子科技前沿卓越创新中心”作为首批启动的五个创新中心之一，正式启动实施。

在建的“京沪干线”项目，计划于2016年底建成连接北京、济南、合肥、上海等城域网络且全长2000多公里的量子保密通信线路，其将成为全球首个也是距离最远的广域光纤量子保密通信骨干线路。

2017年7月，中国首个商用量子通信专网——济南党政机关量子通信专网近日完成测试，保密性、安全性、成码率的测试均达到设计目标，整套网络预计今年8月底正式投入使用。

欧洲

在欧洲，欧盟于2008年发布了《量子信息处理与通信战略报告》，提出了欧洲量子通信的分阶段发展目标，包括实现地面量子通信网络、星地量子通信、空地一体的千公里级量子通信网络等。2008年9月，欧盟发布了关于量子密码的商业白皮书，启动量子通信技术标准化研究，并联合了来自12个欧盟国家的41个伙伴小组成立了“基于量子密码的安全通信”(SECOQC)工程，这是继欧洲核子中心和国际空间站后又一大规模的国际科技合作项目。同年，该工程在维也纳现场演示了一个基于商业网络的包含6个节点的量子通信网络。同时，欧空局正在与来自欧洲、美洲、澳大利亚和日本的多国科学家团队合作开展空间量子实验，由国际著名量子物理学家、沃尔夫物理学奖获得者奥地利的AntonZeilinger教授领衔，计划在国际空间站与地面站之间实现远距离量子通信。

美国

在美国，美国国防部支持的“高级研究与发展活动”(ARDA)计划到2014年将量子通信应用拓展到卫星通信、城域以及远距离光纤网络。国防部高级研究计划署（DARPA）和LosAlamos国家实验室于2009年分别建成了两个多节点量子通信互联网络，并与空军合作进行了基于飞机平台的*空间量子通信研究。最新资料显示，美国航空航天局（NASA）正计划在其总部与喷气推进实验室（JPL）之间建立一个直线距离600公里、光纤皮长1000公里左右的包含10个骨干节点的远距离光纤量子通信干线，并计划拓展到星地量子通信。

日本

日本也提出了量子信息技术长期研究战略，目前年投入2亿美元，规划在5至10年内建成全国性的高速量子通信网。日本的国家情报通信研究机构（NICT）也启动了一个长期支持计划。*立信息通信研究院计划在2020年实现量子中继，到2040年建成极限容量、无条件安全的广域光纤与*空间量子通信网络。2010年，日本NICT主导，联合当时欧洲和日本在量子通信技术上开发水平最高的公司和研究机构，在东京建成了6节点城域量子通信网络“TokyoQKDNetwork”。东京网在全网演示了视频通话，并演示网络监控。

12、世界第一

中国一些研究人员利用中国发射的首颗量子通信卫星墨子号成功传输信息，打破传输信息的最远纪录，在量子通信领域拿下两个世界第一。

中国凭借2017年8月9日在《自然》周刊上发表的两项成果确保了在量子通信这一未来通信技术领域的至上地位。该技术主要可以提升通信过程中的安全性。中国从“墨子号”的投资中获得了回报。这枚科研卫星于2016年8月16日发射，在距离地球500公里至1200公里处的低轨运行。再加上《科学》周刊2017年6月16日发表的成果，中国科学技术大学潘建伟带领的团队完成了三大实验：量子隐形传态、量子纠缠分发和量子密钥分发。此前这些实验仅在地面的光导纤维中完成过。

据法国《世界报》8月15日报道，加拿大研究人员1984年提出了一份保障安全分发密钥的协议，不仅是为了禁止窃听，也是为了确保如果出现窃听当事人能够获悉。中国人将这份协议应用于卫星与地球之间，最短距离(600公里)实现每秒发送数千比特的信息量。巴黎电信技术学院科研教师罗曼·阿洛姆称赞道：“他们解决了大量技术难题。这是工程学的一个大项目。”中国团队面临的挑战包括复杂光电器件的小型化及其对太空环境的适应保证，而且尤其是十分精确的卫星定位和追踪技术的发展。潘建伟指出：“这就像在300米之外追踪一根移动的头发一样。”

报道称，这些进步的技术意义超过了科学意义，因为这些成就此前都在地球上实现过。20世纪80年代初，法国科学家阿兰·阿斯佩完成了“量子纠缠”实验。1989年，加拿大完成首次量子密钥分发。此后很多企业将这种系统商业化。1997年，奥地利安东·蔡林格团队率先完成量子隐形传态实验，当时年轻的潘建伟也是团队成员之一。

欧洲最大量子信息实验室之一量子技术研究中心主任罗纳德·汉松认为：“真是了不起的进展。中国的实验开启了一个新时代。他们完成了首批地空基础量子任务。将遥远的系统通过量子连接起来已经成为现实。”

报道称，长距离传输必须通过太空，因为光导纤维中信号受损导致纠缠与隐形传态被限制在100多公里的距离内才能完成。而且与常规世界相反，在量子物理学中不可能增强或者重复一个信号。因此人们关注宇宙真空环境，即便考虑到大气层的厚度，这里的损耗也要小得多。但成本这么高的网络又有什么用呢？更加安全的密钥当然是个动机，但当前“经典”技术还在发挥作用，而且带有非保密密钥协议。

巴黎第六大学国家科学研究中心研究负责人埃莱妮·迪亚曼蒂明确指出：“当前的量子计算工作让这些系统面临危险，量子密钥是一种解决方案。”研究人员还希望建设有新性能的“量子网络”，能够将计算分发到多个网络节点上完成，而无需节点接触数据。

报道称，中国并不是唯一一个了解这些关乎国家防御和主权的重大挑战。韩国、日本、新加坡和加拿大也有陆地和太空计划，或者是从无人机、热气球和飞机实施的空中计划。在欧洲、研究人员争取人们对发展这些太空技术的关注，却是徒劳。埃莱妮·迪亚曼蒂希望：“这些结果或将刺激欧洲的科研活动。”

报道称，潘建伟现在希望提高密钥系统的效率，把卫星作为两个地面站的中继站来实现安全加密。中国研究者们还提到与欧洲合作完成两大洲之间密钥分发的可能性。