量子通信技术的发展现状和前景展望
作者： 发稿时间：2014-11-02
【原文刊载于《中国科学院信息化工作动态》2013年12月刊（总第46期）「专家视点」栏目】
量子通信技术的发展现状和前景展望
孔明辉1 李云龙1 刘乃乐2 李力2
1 中国科学院前沿科学与教育局
2 中国科学技术大学量子信息与量子科技前沿协同创新中心
经典通信和量子通信
信息的安全传递是千百年来人类的梦想之一，然而随着信息技术的快速发展，安全通信却几乎成为了海市蜃楼。经典信息很容易被复制，因此保障通信安全的主要方法就是对信息进行加密，使窃取者即使复制了加密后的密文也无法读取原文。人们已经发展了各种各样的经典密码和加密算法，它们主要是利用计算的复杂性来确保通信安全——窃听者在没有破解密钥的情况下，在有限的时间内无法完成破译所需的大量计算。但是，这种方法的安全性在理论上缺乏证明——数学的不断进步可能使得一些现在看起来无法利用数学方法破解的加密解密算法在未来得以破解，因此这种方法远不能保证“绝对安全”的通信系统，而且在实际应用中也存在着加密和解密效率低下等诸多问题。更为严峻的是，随着计算科学和技术的发展，计算能力的提升速度和潜力已远远超过了人们最初的想象，经典密码加密技术对于通信安全的保障也显得远非预期那样可靠。特别是上世纪70年代以来，量子计算概念的提出及其初步实验演示，更如同在经典密码安全性上方高悬的“达摩克利斯之剑”，随时威胁着经典通信系统的安全。
量子通信系统的问世，重新点燃了建造“绝对安全”通信系统的希望。根据量子力学“测不准”原则，未知的“量子”态不能被精确地复制，任何探测它的企图都会改变它的状态。那么，被某人拥有的“量子态”，就不能被任何其他人偷窥，因为通过检测“量子态”是否改变，可以得知是否有人试图窥测这个“量子态”。当我们利用“量子态”来记载我们的经典信息时，这种奇妙的特性就可以保证无人再能窥探那些“不能说的秘密”。“绝对安全通信”这个千百年来人类梦想之路的入口，在量子物理的指引下，又重新显露在人类的视野之中。
“量子”的概念
究竟什么是“量子”？它和“原子”、“电子”、“中子”这些客观存在的粒子一样也是一种物质实体吗？答案是否定的。“量子”不是一种粒子，而是一种概念。咬文嚼字地说，“量子”一词来自拉丁语quantus，意为“多少”，代表“相当数量的某事”。在物理学中提到“量子”时，我们实
际上指的是微观世界的一种倾向：物质或者粒子的能量和其他一些性质都倾向于不连续的变化。例如，我们说一个“光量子”，是指一个光量子的能量是光能量变化的最小单位，光的能量是以一个光量子的能量为单位一份一份变化的，其他的粒子情况也是类似的，例如，在没有被电离的原子中，绕核运动电子的能量是“量子化”的，也就是说电子的能量只能取特定的、不连续的、离散的值，因为只有这样的原子才能稳定存在，而且也正是如此，我们才能理解原子辐射的光谱。不仅能量，对于原子中电子的角动量也不是连续变化的。量子物理学告诉我们，电子绕原子核运动时也只能处在一些特定的运动模式，在这些模式上，电子的角动量分别具有特定的数值，介于这些模式之间的运动方式是极不稳定的。即便电子暂时以其他的方式绕核运动，很快就必须回到特定运动模式上来。实际上在量子世界中，所有物理量的值，都必须不连续地、离散地变化。这样的观点和经典物理学的观点是截然不同的，在经典物理学中所有的物理量都是连续变化的。
我们拿光来进一步举例说明。当我们把通常光源发出的一束光通过衰减片进行反复衰减，其能量不断减弱，最后就会成为一份一份不连续的能量颗粒，这样不可分割的最小能量颗粒被称为单光子或光量子。也就是说，光量子是构成光的最基本单元，是光能的最基本携带者，不可分割。虽然单光子的能量极其微弱，但利用单光子探测器可以对单个光子进行探测，当单个光子进入单光子探测器时，会产生一个电脉冲信号。
物理学告诉我们，光在传播的同时还在振动，例如沿水平方向振动或沿竖直方向振动。如果把水平振动状态叫做“0”，竖直振动状态叫做“1”，利用这两个状态就可以加载一个比特的信息，就像利用电平的高低来加载信息一样。但与经典比特不同的是，光量子比特不但可以处于水平振动状态（“0”）或竖直振动状态（“1”），还可以同时处于这两个状态的一种迭加状态（“0＋1”），存在这种所谓的量子相干迭加是量子世界与经典世界的根本区别。
著名的“薛定谔猫”形象地描述了这个佯谬。在经典世界里，猫或者是活的，要不然就是死的，然而一只量子的猫却可以处在“死”和“活”的迭加状态上。那么这只量子“薛定谔猫”到底是死的还是活的呢？量子测量原理给出的答案是，如果你不去看这只猫，它既不是死的也不是活的！如果你去看这只猫，那么它也许是死的，也许是活的！
量子通信原理简介
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，故此我们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。
量子通信的发展历史与国内外现状
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小组和我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Los Alamos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。
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。另一种是自由空间单光子传输。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。
图1 广域量子
通信的发展路线图
总之，发展量子通信技术的终极目标是构建广域乃至全球范围的绝对安全的量子通信网络。通过光纤实现城域量子通信网络连接一个中等城市内部的通信节点、通过中继技术实现邻近两个城市之间的连接、通过卫星与地面站之间的自由空间光子传输和卫星平台的中转实现两个遥远区域之间的连接，是目前条件下实现全球广域量子通信最理想的途径（详见图1所示）。
经过20多年的发展，量子通信技术已经从实验室演示走向产业化和实用化，目前正在朝着高速率、远距离、网络化的方向快速发展。由于量子通信是事关国家信息安全和国防安全的战略性领域，且有可能改变未来信息产业的发展格局，因此成为世界主要发达国家如欧盟、美国、日本等优先发展的信息科技和产业高地。
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Anton Zeilinger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。
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Los Alamos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自由空间量子通信研究。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。日本国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
广域光纤与自由空间量子通信网络。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“Tokyo QKD Network”。东京网在全网演示了视频通话，并演示网络监控。
我国政府也高度重视量子通信技术的发展，积极应对激烈的国际竞争，抢占未来信息科技制高点。近年来，在中国科学院、科技部、基金委等部门以及有关国防部门的大力支持下，我国科学家在发展实用量子通信技术方面开展了系统性的深入研究，在产业化预备方面一直处于国际领先水平。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。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。
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（冷原子量子存储平台见图2）。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。
图2 冷原子量子存储平台（中国科学技术大学实验装置）
潘建伟团队还是国内唯一领衔开展自由空间（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自由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自由空间保密量子通信。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自由空间隐形传态实验，实现了四个Bell态的完全测量和主动幺正变换（相关工作以封面文章的形式发表在Nature Photonics，详见图3）。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自由空间量子态隐形传输和纠缠分发（详见图4），并实现了星地量子通信可行性的全方位地面验证。这些研究工作通过地基实验坚实地证明了实现基于卫星的全球量子通信网络和开展空间尺度量子力学基础检验的可行性。
图3 “16公里自由空间量子态隐形传输”以封面文章的形式发表
图4 百公里量级自由空间量子隐形传态和纠缠分发示意图，青海湖海心山
量子通信正在经历着从基础研究向应用技术转化的进程。电子信息产业界的跨国集团，例如IBM、AT&T、Bell实验室、英国电话电报公司、德国西门子公司等都纷纷投入量子通信的产业化研究中。
正如习
近平总书记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，千公里光纤量子通信骨干网工程“京沪干线”已经正式由国家发改委批复立项，将于2016年前后建成连接北京、上海，贯穿济南、合肥等地的千公里级高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络，建成大尺度量子通信技术验证、应用研究和应用示范平台，推动量子通信技术在国防、政务、金融等领域的应用，同时带动相关产业的发展。中国科学院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”也将于2016年前后发射，将在国际上率先实现高速的星地量子通信网络，初步构建我国的广域量子通信体系，同时可实现空间尺度量子力学非定域性检验，探索对广义相对论、量子引力等基本量子力学理论的实验检验。
英国著名的《自然》杂志，2012年在其专门报道潘建伟团队量子通信工作的长篇新闻特稿“量子太空竞赛”中指出：“在量子通信领域，中国用了不到十年的时间，由一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅；中国将领先于欧洲和北美……”。在中国科学院最近发布的《科技发展新态势与面向2020年的战略选择》研究报告中，“量子通信将可能率先取得重大突破”也被列为中国在未来5至10年内可能产生的19个重大科技突破之首。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，将进一步发挥中国科学技术大学和中国科学院相关研究所科教结合的优势，以中国科学院已取得的领先优势为基础，深入实施量子信息技术创新驱动发展战略。
未来，相信随着量子通信技术的产业化和广域量子通信网络的实现，作为保障未来信息社会通信安全的关键技术，量子通信极有可能会进入千家万户，服务于大众，成为电子政务、电子商务、电子医疗、生物特征传输和智能传输系统等各种电子服务的驱动器，为当今这个高度信息化的社会提供基础的安全服务和最可靠的安全保障。