量子通信技術的原理和進展

孟穎 呂超 王加安 張冠陽 陳浩

【摘要】 量子通信是經典通信與量子力學交叉結合所形成的一門新興學科。本文概括了量子通信的基本概念及其主要技術量子秘鑰分發和量子隱形傳態的基本原理。同時介紹了量子通信在世界范圍內的研究進展和發展前景。

【關鍵詞】 量子通信 量子秘鑰分發 量子隱形傳態

一、前言

量子通信是量子信息技術的主要組成部分，它具有絕對保密，通信容量大，傳輸速度快等優點，可以完成經典通信所不能完成的特殊任務。量子通信可以利用無法破譯的秘鑰系統，實現真正意義上的保密通信，因此量子通信成為當今世界關注的科技前沿。量子通信是以量子態作為信息元實現對信息的有效傳送。它是繼電話和光通信之后通信史上的又一次革命。

二、量子通信的主要組成部分

2.1量子秘鑰分發

量子秘鑰分發不是用于傳送保密內容，而是在于建立和傳輸密碼本，即在保密通信雙方分配秘鑰，俗稱量子密碼通信[1]。

1984年，美國的Bennett和加拿大的Brassart提出著明的BB84協議，即用量子比特作為信息載體，利用光的偏振特性對量子態進行編碼，實現對秘鑰的產生和安全分發。1992年， Bennett提出了基于兩個非正交量子態，流程簡單，效率折半的B92協議。這兩種量子秘鑰分發方案都是建立在一組或多組正交及非正交的單量子態上。1991年，英國的Ekert提出了基于兩粒子最大糾纏態，即EPR對的E91方案。

1998年，又有人提出了在三組共軛基上進行偏振選擇的六態方案量子通信，它是由BB84協議中的四種偏振態和左右旋組成。BB84協議被證明是迄今為止無人攻破的安全秘鑰分發方式，量子測不準原理和量子不可克隆原理，保證了它的無條件安全性。EPR協議具有重要的理論價值，它將量子糾纏態與量子保密通信聯系起來，為量子保密通信開辟了新途徑。

2.2量子隱形傳態

1993年由Bennett等6國科學家提出的量子隱形傳態理論是一種純量子傳輸方式，利用兩粒子最大糾纏態建立信道來傳送未知量子態，隱形傳態的成功率必定會達到100%[2]。

199年，奧地利的A.Zeilinger小組在室內首次完成量子隱形態傳輸的原理性實驗驗證。在不少影片中常出現如此的情節：一個在某處突然消失的神秘人物突然出現在另一處。由于量子隱形傳態違背了量子力學中的量子不可克隆原理和海森堡不確定原理，因此它在經典通信中只不過是一種科幻而已。

然而量子通信中引入了量子糾纏這一特殊概念，將原物未知量子態信息分成量子信息和經典信息兩部分，使得這種不可思議的奇跡得以發生，量子信息是在測量過程未提取的信息，經典信息是對原物進行某種測量。

三、量子通信的進展

從1994年開始，量子通信已經逐步進入實驗階段，并向實用化目標邁進，具有巨大的開發價值和經濟效益。1997年，中國青年科學家潘建偉與荷蘭科學家波密斯特等人試驗并實現了未知量子態的遠程傳輸。

2004年4月Lorunser等利用量子糾纏分發第一次實現1.45KM的銀行間數據傳輸，標志著量子通信從實驗室走向應用階段。目前量子通信技術已經引起各國政府、產業界和學術界的高度重視。一些國際著名公司也積極發展量子信息的商業化，如英國電話電報公司，美國的Bell、IBM、AT&T等實驗室，日本的東芝公司，德國的西門子公司等。2008年，歐盟“基于量子密碼的全球保密通信網絡開發項目”組建的7節點保密通信演示驗證網絡試運行成功。

2010年，美國《時代周刊》在“爆炸性新聞”專欄中以“中國量子科學的飛躍”為題報道了中國在16公里量子隱形傳輸的實驗成功，標志中國有能力建立地面與衛星間的量子通信網絡[3]。 2010年，日本國家情報通信研究機構聯合三菱電機和NEC，以及瑞士ID Quantique公司、東芝歐洲有限公司和奧地利的All Vienna公司在東京成立了六節點城域量子通信網絡“Tokyo QKD Network”。該網絡集中了目前日本及歐洲在量子通信技術上發展水平最高的研究機構和公司的最新研究成果。

四、量子通信展望

量子通信是通訊技術具有劃時代意義的偉大進步，它與傳統的通信技術相比，在安全性，信道容量，傳輸距離等方面都突破了經典技術的極限。量子通信必將改變未來信息產業的格局。

目前，其理論框架已基本成型，理論體系正日趨完善。有科學家預言，全球化的量子通信有望在十年內實現。

參 考 文 獻

[1]何燕玲，王川，焦榮珍等.量子通信原理及進展概述.[J]中國電子科學研究院學報.2012，7（5）：466-471.

[2]蘇曉琴，郭光燦.兩種典型的量子通信技術. [J]廣西大學學報.2005，30（1）：30-38.

[3]吳華，王向斌，潘建偉.量子通信現狀與展望. [J]中國科學：信息科學.2014，44（3）：296-311