絕對高科技 圍觀神秘的量子通信技術
文 感測器技術（WW_CGQJS）
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量子通信是近二十年發展起來的新型交叉學科，是量子論和資訊理論相結合的新的研究領域。其帶來的高效安全的信息傳輸日益受到人們的關注，並且基於量子力學的基本原理，並因此成為國際上量子物理和信息科學的研究熱點。
去年8月16日，世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」發射升空，不到一年的時間，就完成了原定兩年的星地高速量子密鑰分發、量子糾纏分發和地星量子隱形傳態實驗三大科學目標。
中國科學技術大學的研究團隊，利用「墨子號」量子科學實驗衛星，在國際上首次成功實現了從衛星到地面的量子密鑰分發和從地面到衛星的量子隱形傳態。
量子通信又稱量子隱形傳送是指一種無影無蹤的傳送過程。量子通信是由量子態攜帶信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子糾纏原理實現保密通信過程。量子通信是一種全新通信方式，它傳輸的不再是經典信息而是量子態攜帶的量子信息，是未來量子通信網路的核心要素。
按照常理，信息的傳播需要載體，而量子通信是不需要載體的信息傳遞。從物理學角度，可以這樣來想像隱形傳送的過程：先提取原物的所有信息，然後將這些信息傳送到接收地點，接收者依據這些信息，選取與構成原物完全相同的基本單元（如：原子），製造出原物完美的複製品。
量子隱形傳送所傳輸的是量子信息，它是量子通信最基本的過程。人們基於這個過程提出了實現量子網際網路的構想。量子網際網路是用量子通道來聯絡許多量子處理器，它可以同時實現量子信息的傳輸和處理。相比於經典網際網路，量子網際網路具有安全保密特性，可實現多端的分布計算，有效地降低通信複雜度等一系列優點。
而量子密碼技術是量子通信的一個重要部分。量子密碼技術與傳統的密碼系統不同，它依賴於物理學作為安全模式的關鍵方面而不是數學。實質上，量子密碼術是基於單個光子的應用和它們固有的量子屬性開發的不可破解的密碼系統，因為在不干擾系統的情況下無法測定該系統的量子狀態。同時量子加密術在公共的鍵值密碼術中又是連接鍵值交換的一種相對較容易方便的方式。
量子通信涉及的領域主要有：量子密碼通信、量子遠程傳態和量子密集編碼等。
量子通信的起源及發展
最早想到將量子物理用於密碼術的是美國科學家威斯納。他於1970年提出，可利用單量子態製造不可偽造的「電子鈔票」。但這個設想的實現需要長時間保存單量子態，不太現實，並沒有被人們接受，但他的研究成果開創了量子密碼的先河。
美國的科學家貝內特和加拿大的科學家布萊薩德於1984年第一次提出利用量子比特作為信息載體，通信雙方先產生並安全分配量子密鑰，然後用分配好的密鑰，以"一次一密"方式實現安全通信。這就是著名的BB84協議。
1991年，英國牛津大學的Ekert提出了一種新的量子密鑰分發方案。這種方案是通過量子的糾纏態實現的。其安全性由貝爾不等式來判斷。
1992年貝內特對他提出BB-84方案進行了修改，提出了只用兩個非正交態來實現但是效率減半的方案一B92協議，不可克隆定理為B92協議的安全性提供了保證。
1993年英國國防研究部在光纖中用相位編碼的方法實現了 BB84-QKD方案，光纖傳輸長度達到了 10公里。等到1995年，在光纖中的傳輸距離巳經達到了30公里。
1993年，美國科學家貝內特等6位科學家，提出了一種用純量子的方法將一個粒子的量子態轉移的另一個粒子上的辦法，即量子的隱形傳態)技術。這種方法可以克服了量子信道對量子態的影響，保障了量子信息的安全性。
奧地利的安東，澤林格小組，於1997年，在實驗室第一次以實驗的形式實現了量子態隱形傳輸技術。等到2004年，該小組已經把量子隱形傳態的距離提高到了 600米。
2002年，德國和英國研究機構成功利用激光在相距23. 4km的兩座山峰之間傳輸光子密鑰，證實了通過近地衛星傳送量子密鑰的可能性。
2004年，美國BNN公司在馬薩諸塞州劍橋城建立了世界首個量子密碼通信網路並投人運行。
2004年，中國科學技術大學的潘建偉小組在國際上率先實現了五粒子糾纏態的製備，並利用五光子糾纏源成功地完成了的量子態隱形傳輸，首次實現了實時語音量子保密通信。使得在城市範圍的建立量子安全通信網路的設想成為現實。同年，郭光燦研究小組成功實現125km光纖點對點的量子密鑰分配。
2007年，潘建偉小組在世界上首次實現了超過100千米的光纖量子通信實驗。
2008年，歐盟組建的7節點保密通信演示驗證網路試運行成功。
2009年，潘建偉小組實現基於光開關的主動式線路切換技術，在合肥建成世界首個可自由擴充的全同型量子通信網路，並利用超導單光子探策器將安全通信距離提高到200千米。
2011年在我國舉辦的"十一五"重大科技成果展上，有兩項重要研究成果激起了人們對量子通信技術的興趣與關注。它們分別是"實驗實現16公里自由空間量子隱形傳態"和"光量子信息網"。
2012年8月9日的Nature上刊登了中國科學技術大學潘建偉、彭承志等人對量子態隱形傳輸的最新研究成果，他們在青海湖首次成功實現了百公里級的自由空間量子態隱形傳輸和雙向糾纏分發。
量子通信基本理論
量子信息中引入了「量子比特」的概念，在量子信息理論中，量子信息的基本單位是量子比特，。從物理學上說，量子比特就是量子態，具有量子態的屬性，因此有很多不同於經典比特的特徵。量子比特目前還沒有一個明確的定義，其描述是要根據具體的物理特性來描述的。
現有的經典信息以比特作為信息單元，從物理角度講，比特是一個兩態系統,它可以製備為兩個可識別狀態中的一個，如是或非，真或假，0 或1。電容器平板之間的電壓可表示信息比特，,有電荷代表1，無電荷代表0。
量子比特，是兩個邏輯態的疊加。經典比特可以看成量子比特的特例(c0 = 0或c1 =0)。
量子態來表示信息是量子信息的出發點，有關信息的所有問題都必須採用量子力學理論來處理，信息的演變遵從薛定諤方程，信息傳輸就是量子態在量子通道中的傳送，信息處理(計算) 是量子態的幺正變換，信息提取便是對量子系統實行量子測量。
一個量子比特是一個雙態量子系統，即兩個線性獨立的態，常記為：0>和 1>。以這兩個獨立態為基矢，張成一個二維復矢量空間，即二維Hilbert空間。其任意態矢Iψ>為一個二進位基本量子比特，以0>和1>為二維Hilbert空間的基矢。
在實驗中，任何兩態的量子系統都可以用來製備量子比特，作為量子態的載體，常見的有：光子的正交偏振態、電子或原子核的自旋、原子或量子點的能級、任何量子系統的空間模式等。
信息一旦量子化，量子力學的特性便成為量子信息的物理基礎，其主要的有：
1、量子糾纏：N (大於1) 個量子比特可以處於量子糾纏態，子系統的局域狀態不是相互獨立的，對於一個子系統的測量會獲取另外子系統的狀態。
2、量子不可克隆：量子力學的線性特性禁止對任意量子態實行精確的複製，量子不可克隆定理和不確定性原理構成量子密碼術的物理基礎。
3、量子疊加性和相干性：量子比特可以處在兩個本徵態的疊加態上，在對量子比特的操作過程中，兩態的疊加振幅可以互相干涉，這就是所謂的量子相干性。
量子通信的基本原理
將信息的所有問題都用量子力學的理論來處理：信息傳輸就是量子態在量子通道中的傳送，信息處理是量子態的幺正變換，信息提取便是對量子系統實行量子測量。
量子隱形傳態即用量子態作為信息載體，通過量子態傳送完成大容量信息的傳輸，是一種脫離實物的 「完全」的信息傳送，能夠實現原則上的完全保密。量子隱形傳態和密集編碼是量子通信中比較典型的兩種方式，,前者利用經典輔助的方法傳送未知的量子態，而後者則是利用量子信道傳送用經典比特表示的信息。
在科幻電影中，常常出現這樣的場景：一個神秘的人物在某處突然消失,而後卻在異地莫名其妙地顯現出來。隱形傳送(teleportation)一詞即來源於此。遺憾的是，在經典通信中，,這種實現隱形傳送的方法違背了量子力學的基本原理之一——不確定關係。因此長期以來，這只不過是一種科學幻想而已。
然而量子通信除了推廣經典信息中的信源與信道等概念外,還引入了其特有的量子糾纏(quantum entanglement)，創造了量子隱形傳態這樣一個經典通信中不可思議的奇蹟。
1993年Bennett等六位科學家提出將未知量子態的信息分為經典信息和量子信息兩部分，分別由經典信道和量子信道傳送給接受者。經典信息是發送者對原物進行某種測量所獲得，量子信息是發送者在測量中未提取的其餘信息。
如圖所示,假設發送者Alice欲將粒子1所處的未知量子態傳送給接收者Bob，在此之前，兩者之間共享由 Einstein ，Podolsky，Rosen提出的處於最大糾纏態的兩個粒子組成的對。
Alice對粒子1和她擁有的EPR粒子2實施Bell基聯合測量(BS)，測量的結果將出現在四種可能的量子態當中的任意一個，其幾率為1/4，對應於Alice不同的測量結果，Bob的粒子3坍縮到相應的量子態上。因此,當Alice經由經典通道將她的探測結果告Bob之後，他就可以選擇適當的幺正變換U粒子3製備到精確複製態上。
量子隱形傳態的特點是僅僅是量子態被傳送，但粒子3本身不被傳送。而在Alice測量之後，初態已被破壞，因此這個過程不是量子克隆。
近年來人們又將注意力轉向傳送一個未知的糾纏態，就此提出了一些理論方案。
在量子隱形傳態中,實現了經典信息對量子信息的傳輸。那麼，我們是否可以利用量子信道來傳送經典信息呢?
假設Alice和Bob共享處於糾纏態的一對粒子，從而建立量子通道。Alice 在四種可能的幺正變換中任選一種對其糾纏粒子A進行操作,這種作用實際上是將兩個比特的經典信息進行編碼。其後，Alice將粒子A發送給Bob,Bob通過對兩個粒子進行Bell基聯合測量，即可確認Alice所做的變換，從而獲得2個比特的信息，,也就是說，僅僅通過傳送一個粒子便能成功地傳送2個比特的經典信息。這就是所謂的「密集編碼」。
量子通信系統的組成
量子通信系統的基本部件包括量子態發生器、量子通道和量子測量裝置。
該模型包括量子信源、編碼器(量子態發生器)、信道(量子通道)、解碼器(量子測量裝置)和量子信宿幾個主要部分。
當中：量子信源是消息產生器；量子信宿是消息的接受者；量子編碼器用於把消息變換成量子比特，用量子態作為消息的載體以傳輸量子信息；量子解碼器用於把量子信息比特轉換成消息；
信道包括量子傳輸信道和輔助信道兩個部分：量子傳輸信道就是傳輸量子信號的通道，輔助信道是指除了傳輸信道和測量信道外的其他附加信道，如經典信道，圖中虛線表示。在量子信道可以單獨使用，也可以與經典信道結合起來傳輸量子信息和經典信息；量子雜訊是環境對量子信號影響的等效描述。
在量子通信中，運算對象是量子比特序列，它們不但可以處於各種正交態的疊加態上，而且還可以處於糾纏態上，在基於糾纏光源的量子通信技術中，信息的載體是糾纏光子對，利用糾纏光子對的光子狀態相互關聯來實現量子通信。
量子密鑰的基本原理
廣泛用於網路金融行業的保密通信系統是一種所謂的RSA公鑰體系，它的安全性基於大數因式分解這樣一類不易計算的單向函數，其原理如圖4-1所示。數學上雖然沒有嚴格證明這種密鑰不可破譯，但現有的經典計算機幾乎無法完成這種運算。
Short演算法證明，採用量子計算機可以輕而易舉地破譯這種公鑰體系。也就是說，一旦量子計算領域獲得重大突破，它所具有的特殊性能，將使現在的公鑰體系徹底地「無密可保」。
另一方面，量子通信是目前科學界公認的惟一能實現絕對安全的通信方式，它利用量子力學的測不準原理和量子不可克隆定理，通過公開信道建立密鑰，當事人之外的第三方根本不可能破解其密碼。其最終目標是解決通信的絕對安全等經典通信所存在的一系列根本性問題。
目前,量子密碼術的研究引起了人們的廣泛興趣，在理論和實驗方面均取得了重要進展。
目前，量子密碼的方案主要有以下幾種：
1、基於兩種共軛基的四態方案,其代表為BB84協議[7]。
2、基於兩個非正交的兩態方案,如BB92協議。
3、基於量子糾纏的EPR粒子對方案，稱為E91協議。
3、基於正交態的密鑰分配方案,其基礎為正交態的不可克隆定理。
近年來，人們開始尋求一種嚴格證明量子密鑰分配(QKD)的安全性的方法，起初的幾種證明方法都不盡如人意,甚至需要用到量子計算機。2000年， Preskill提出了一種簡單的方案，巧妙地將糾纏純化方案和量子糾錯碼(CSS碼)結合起來，嚴格地證明了BB84方案的安全性。
量子密鑰分配的第一個演示性實驗由Bennett等人完成。隨後，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室，,創造了目前光纖中量子密碼通信距離的新紀錄。他們通過先進的電子手段，以B92方案成功地在長達48km的地下光纜中傳送量子密鑰 。自由空間中的QKD也不斷地取得突破，現在達到的傳輸距離為115km。
在上述方案中，量子密鑰是在兩點之間傳輸、建立的，因而都是點對點的傳輸系統。密鑰分配想要實用化，就必須在網路中得以實現，能夠進行一點對多點或者任意兩點之間的密鑰傳遞。
網路密鑰傳輸有樹狀、環狀、鏈式等多種結構，這裡就其中樹狀結構網路做簡要介紹。
樹狀結構網路可以用下面的示意圖(圖4-2)簡單表示，其中S是發送端，而R1 是其中的一個接收端，O代表光纖分束器。儘管樹狀網中有很多接收端，但是由於量子密鑰中的載體一般情況下都是單粒子態，,因而他們既不能被分流也不能被克隆。
從發送端S發送的一個單粒子只能被其中的一個接收端接收，,這相當於發送者S與這個接收端之間經歷了一個點對點的密鑰分配系統。因此,在一系列的數據傳輸完成之後，各個單粒子態分別隨機地被某個接受端接收，最終的效果相當於發送者S與n個接收者之間分別建立一套點對點的密鑰傳輸系統,分別建立和分配了一組密鑰序列。建立的方式可以是現存方法中的任何一種。
關於量子保密通信，依然存在很多問題需要解決，其中包括量子秘密共享、網路量子密碼、身份認證、數字簽名，以及最近提出的量子指紋等。這些方案的優越性在理論上已經得到證實。
量子密鑰通信系統組成
量子密鑰通信系統包括量子信源、信道和量子信宿三個主要部分，其中信道包括量子傳輸信道、量子測量信道和輔助信道三個部分。圖中的密鑰信道是通信者之間最終將獲得的密鑰對應的信道，是量子密鑰分配協議的最終目標，該信道不是量子密鑰分發過程中的組成部分，圖中用虛線表示。輔助信道是指除了傳輸信道和測量信道外的其它附加信道，如經典信道，圖中用虛線表示。
通信中信宿收到的首先是消息，信息不等於消息，但包含在消息之中，因此，信息的特性常常通過消息來研究。一般來說，信源就是信息的來源，不同的信源發出的消息不同。
若信源輸出的是量子信號，這種信源稱為量子信源。對一個信源的認識通常需要對該信源的數學描述、信源的結構與性質以及信源編碼等幾個方面有清晰的了解。
在量子信源方面對這些問題的理解和研究還不深入，很多問題有待進一步研究。參照經典信息理論，量子信源可定義為輸出特定量子符號（消息）集的量子系綜。
顯然，一旦指定量子符號集，量子信源具有確定的數學結構，因而可以用一個確定的數學方式描述量子信源。需要指出的是，量子信源不等於量子系綜，因為量子系綜包含了更多的物理屬性，而量子信源只是量子系綜物理屬性的一個方面。
信道是量子密鑰分配協議的重要部分。信道部分包括量子傳輸信道、測量信道和輔助信道三個部分。
所謂量子傳輸信道就是量子信號的實際傳輸路線。量子傳輸信道與經典信道類似，信道屬性依賴於信道的輸入和輸出以及描述輸入和輸出之間關係的條件概率，因此，量子傳輸信道的數學描述形式與經典傳輸信道的數學描述一樣。
但是，量子傳輸信道不同於經典傳輸信道，因為量子傳輸信道的特性受到量子物理學的約束，即信道受發射信號的量子物理特性的強烈約束，這是由量子物理中不同於經典物理的特性所導致的。
量子通信的特點
量子通信與傳統通信技術相比，具有如下主要特點和優勢：
1、具有極高的安全性和保密性，根據量子不可克隆定理，量子信息一經檢測就會產生不可還原的改變，如果量子信息在傳輸中途被竊取，接收者必定能發現，量子通信沒有電磁輻射，第三方無法進行無線監聽或探測；
2、時效性高傳輸速度快，量子通信的線路時延近乎為零，量子信道的信息效率相對於經典信道量子的信息效率高几十倍，並且量子信息傳遞的過程沒有障礙，傳輸速度快；
3、抗干擾性能強，量子通信中的信息傳輸不通過傳統信道，與通信雙方之間的傳播媒介無關，不受空間環境的影響，具有完好的抗干擾性能，同等條件下，獲得可靠通信所需的信噪比比傳統通信手段低30～40dB；
4、傳輸能力強，量子通信與傳播媒介無關，傳輸不會被任何障礙阻隔，量子隱形傳態通信還能穿越大氣層，既可在太空中通信，又可在海底通信，還可在光纖等介質中通信。
量子通信技術展望
作為信息傳輸安全的解決方案，量子通信成為各國重點攻關的方向，而我國在這一領域也處於世界領先地位。國信證券研究報告稱，國內已準備將量子通信進行商用。量子通信可能成為繼高鐵、核電外又一張國家「名片」。
目前，量子通信的基本理論和和框架已經形成，在單光子、量子探測、量子存儲等量子通信關鍵技術獲得發展和突破條件下，各種理論體系正日趨完善，量子通信技術已經從科研階段逐步進入試點應用階段；量子通信的絕對保密性也決定了其在軍事、國防、金融等領域有著廣闊的應用前景，隨著技術日趨完善和成熟，在未來的大眾商業市場中，量子通信將具有極大的應用潛力。
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