量子通信前沿深度分析：中國處于世界領(lǐng)先水平

　　量子通信是利用量子糾纏效應傳遞信息的通信方式，作為量子論與信息論相結合的新型通訊方式，以其絕對的安全性為信息安全帶來(lái)了革命式的發(fā)展。海森堡測不準原理和量子不可復制原理為量子通信的絕對安全性提供了理論基礎。量子通信按傳輸信道分為量子隱形傳送和量子密碼通信(目前應用最成熟)。

　　我國在量子通信領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平，2009年中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉團隊建成了世界上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò )，首次實(shí)現了實(shí)時(shí)語(yǔ)音量子保密通信，標志著(zhù)中國在城域量子網(wǎng)絡(luò )關(guān)鍵技術(shù)方面已經(jīng)達到了產(chǎn)業(yè)化要求。

　　量子通信在軍事通信、政府保密通信、民用通信上都將帶來(lái)顛覆性的變革，技術(shù)又已相對成熟，經(jīng)我們詳細測算，未來(lái)市場(chǎng)空間遠超千億。國家對量子通信非常重視，中央政治局常委曾組織集體學(xué)習量子通信，目前國內合肥城域量子通信網(wǎng)、蕪湖市量子政務(wù)網(wǎng)已于2012年建成使用，世界上最遠距離的光纖量子通信干線(xiàn)京滬線(xiàn)也已近完工，并有望于2016年左右發(fā)射全球首顆量子通信衛星。

　　1、量子通信——革命式安全通訊方式

　　1.1量子通信簡(jiǎn)介

　　量子通信是指利用量子糾纏效應進(jìn)行信息傳遞的新型通訊方式，是量子論和信息論相結合的成果。量子通信具有絕對安全和高效率等特點(diǎn)，給信息安全帶來(lái)了革命式的發(fā)展，是目前國際量子物理和信息科學(xué)的主要研究方向，主要涉及的領(lǐng)域包括：量子遠程傳態(tài)量子密碼通信等。目前應用發(fā)展相對成熟的為量子密碼通信。

　　1.2量子通信工作原理

　　量子通信的工作原理為，利用粒子的量子糾纏效應，將信息加載在粒子狀態(tài)中，通過(guò)傳輸粒子實(shí)現絕對安全的通信。量子通信主要的通信方式包括兩種：直接通過(guò)量子態(tài)進(jìn)行量子隱形傳送以及量子密碼通信(目前應用最成熟的方式)。

　　l 量子糾纏效應

　　量子通信的主要原理為量子糾纏效應，即兩個(gè)或多個(gè)量子系統之間的非定域非經(jīng)典的關(guān)聯(lián)，通俗的講，即可以制備兩個(gè)這樣兩個(gè)粒子態(tài)，無(wú)論距離多遠，當其中一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，另外一個(gè)粒子的狀態(tài)也會(huì )同時(shí)發(fā)生變化。

　　以笛卡兒、伽利略、牛頓為代表的主流物理學(xué)家認為，宇宙的組成部份相互獨立，它們之間的相互作用受到時(shí)空的限制。而量子糾纏效應脫離了時(shí)空，它證實(shí)了任何兩種物質(zhì)之間，不管距離多遠，都有可能相互影響，不受四維時(shí)空的約束，是非局域的(nonlocal)，它不僅宇宙證實(shí)了愛(ài)因斯坦的幽靈——超距作用(spookyactioninadistance)的存在，也證實(shí)了我們中國人一直強調的因果報應等觀(guān)點(diǎn)——任何兩種物質(zhì)在冥冥之中存在深層次的內在聯(lián)系。

　　l 量子狀態(tài)信息化

　　量子通信在傳送過(guò)程中一般以狀態(tài)來(lái)表示信息，早期利用偏振態(tài)較多，目前逐漸轉向采用相位狀態(tài)表示信息：1)利用光的偏振對數據進(jìn)行編碼，在一個(gè)方向上的偏振視為0，而另一個(gè)視為1，常用的有兩種偏振方式，直線(xiàn)型和對角型;2)利用光子的相位數據來(lái)進(jìn)行編碼，例如45度，90度，180度等代表0、1、-1。

　　量子通信主要的通信方式包括兩種(可按信道分類(lèi))：直接通過(guò)量子態(tài)進(jìn)行量子隱形傳送以及量子密碼通信(目前應用最成熟的方式)。

　　l 量子隱形傳送

　　量子隱形傳送是一種脫離實(shí)物的信息傳送，原理是通過(guò)將某個(gè)粒子的未知量子態(tài)傳送到另一個(gè)地方來(lái)傳遞信息，即把另一個(gè)粒子制備到該量子態(tài)上，而原來(lái)的粒子仍留在原處。

　　具體而言，首先制備出具備量子糾纏效應的光子A和B，分別在甲和乙兩地保存，需要傳遞信息時(shí)，將蘊涵相關(guān)信息的光子C與A一起測量，這樣A的狀態(tài)發(fā)生了改變，B的狀態(tài)也發(fā)生了改變，再用光子D與B做逆測量，即可得到原來(lái)光子C所蘊涵的信息。

　　量子隱形傳送由于單子狀態(tài)難以長(cháng)時(shí)間保存、光纖信道損耗大、受環(huán)境噪音影響較大等原因，目前為止技術(shù)仍不成熟。

　　l 量子密碼通信

　　由于量子通信具有不可破譯、絕對安全的特性，它受到了信息安全科學(xué)界的極大重視。在量子隱形傳送現階段實(shí)現困難的背景下，在經(jīng)典通訊中用量子通信技術(shù)進(jìn)行加密通信來(lái)保障信息安全成為了當前全球量子通信研究的重點(diǎn)，也是目前唯一接近成熟應用的量子通信。

　　加密是保障信息安全的重要手段，目前最常用的加密技術(shù)是用復雜的數學(xué)算法來(lái)改變原始信息——這種方法雖然安全性較高，但存在被破譯的可能，并非絕對可靠。而量子密碼術(shù)是主要利用量子狀態(tài)來(lái)作為信息加密和解密的密鑰，具有不可破譯性。任何想測算和破譯密鑰的人，都會(huì )因改變量子狀態(tài)而得到無(wú)意義的信息，而信息合法接收者也可以從量子態(tài)的改變而知道密鑰曾被截獲過(guò)。

　　通俗地講，量子密碼通信就是甲利用激光收發(fā)器發(fā)射確定狀態(tài)的光子，乙采用濾光器/激光收發(fā)器進(jìn)行接收，保存并記錄光子狀態(tài)，隨后甲和乙互相對應光子的狀態(tài)，以識別是否被竊聽(tīng)(由于光子一旦被竊聽(tīng)測量，就會(huì )改變狀態(tài)，從而被發(fā)現)，從而獲得絕對安全的密鑰。

　　最初的量子密碼通信利用的都是光子的偏振特性(狀態(tài))，目前主流實(shí)驗方案已經(jīng)發(fā)展到利用光子的相位特性進(jìn)行編碼。舉例來(lái)說(shuō)，利用偏振特性時(shí)，乙為了接收正確的信息，必須測量光子并使用正確的濾光器偏振方向，即信息傳送的偏振方向相同。初始甲發(fā)送密鑰時(shí)，假設發(fā)射直線(xiàn)型的偏振光子，乙用接收器過(guò)略后發(fā)射出的是對角偏振的光子，然后一個(gè)完全隨機的結果就會(huì )出現在接收器上，一旦中間有竊聽(tīng)者使用接收器竊聽(tīng)，結果就會(huì )發(fā)生改變;使用這種方法，特性信息能夠發(fā)送而使竊聽(tīng)者無(wú)法不被發(fā)現地偷聽(tīng)。