量子光學(xué)與量子信息領(lǐng)域中的通信技術(shù)

【摘要】 量子光學(xué)的量子特性在信息領(lǐng)域有著獨(dú)特的功能，利用其壓縮態(tài)、糾纏態(tài)、偏振等性質(zhì)在提高運(yùn)算速度、確保信息安全、增大信息容量和提高檢測(cè)精度等方面有望突破現(xiàn)有經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限。量子通信在一定程度上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)應(yīng)用并具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景，特別是在量子密碼和量子計(jì)算方面有突破性進(jìn)展。

【關(guān)鍵詞】 量子光學(xué) 量子信息 量子密碼 量子計(jì)算機(jī)

一、發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

近十幾年來(lái)，量子通信的距離和速率都有了飛躍式的提升，一些小規(guī)模的量子通信試驗(yàn)網(wǎng)已經(jīng)建成，驗(yàn)證了量子通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化的可行性。歐盟已提出歐洲量子通信未來(lái)發(fā)展目標(biāo)，將重點(diǎn)發(fā)展量子中繼和衛(wèi)星量子通信，實(shí)現(xiàn)千公里量級(jí)的量子密鑰分發(fā)；日本國(guó)立信息通信研究院計(jì)劃到2040年建成極限容量、無(wú)條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網(wǎng)絡(luò)；美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室過(guò)去幾年中則一直在悄悄創(chuàng)建一套輻射狀的量子互聯(lián)網(wǎng)。

我國(guó)盡管屬于后來(lái)者，但起點(diǎn)高，進(jìn)展快，在應(yīng)用研究的多個(gè)方面已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，2012年初，潘建偉小組在合肥市建成世界上規(guī)模最大的46節(jié)點(diǎn)量子通信試驗(yàn)網(wǎng)，標(biāo)志著大容量的量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已取得關(guān)鍵突破；與此同時(shí)，金融信息量子通信驗(yàn)證網(wǎng)在北京開通，在世界上首次實(shí)現(xiàn)利用量子通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)金融信息的安全傳輸。另外還牽頭組織了中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”，計(jì)劃在2016年左右發(fā)射，在此基礎(chǔ)上將實(shí)現(xiàn)高速星地量子通信并連接地面的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建我國(guó)廣域量子通信體系。在城域量子通信關(guān)鍵技術(shù)方面已達(dá)到產(chǎn)業(yè)化要求，產(chǎn)業(yè)化預(yù)備與歐美處于同等水平。

潘建偉認(rèn)為，目前，我國(guó)量子保密通信技術(shù)在城域網(wǎng)上的使用基本成熟，已經(jīng)可以推廣；城際量子通信網(wǎng)絡(luò)方面，連接北京和上海的千公里光纖量子通信骨干網(wǎng)工程“京滬干線”已正式立項(xiàng)，有望在兩三年內(nèi)投入使用。但要實(shí)現(xiàn)廣域的量子保密通信，還需要借助衛(wèi)星。

可以預(yù)想，隨著量子通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，在不久的將來(lái)，作為保障未來(lái)信息社會(huì)通信安全的關(guān)鍵技術(shù)，量子保密通信將有望走向大規(guī)模應(yīng)用，成為電子政務(wù)、電子商務(wù)、電子醫(yī)療、生物特征傳輸和智能傳輸系統(tǒng)等各種電子服務(wù)的驅(qū)動(dòng)器，為當(dāng)今信息化社會(huì)提供基礎(chǔ)的安全服務(wù)和最可靠的安全保障。

二、量子信息應(yīng)用的主要領(lǐng)域

在量子信息中，用一定量子體系的量子態(tài)對(duì)信息進(jìn)行編碼，即以量子態(tài)作為信息的載體，按照量子力學(xué)的疊加原理等規(guī)律對(duì)量子態(tài)進(jìn)行傳送或邏輯操作，從而達(dá)到量子信息處理的目的。量子信息是量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合發(fā)展起來(lái)的新學(xué)科，主要包括量子通信和量子計(jì)算2個(gè)領(lǐng)域。量子通信主要研究量子密碼、量子隱形傳態(tài)、遠(yuǎn)距離量子通信的技術(shù)等；量子計(jì)算主要研究量子計(jì)算機(jī)和適合于量子計(jì)算機(jī)的量子算法。

2.1量子密碼

保密通信不僅在軍事、國(guó)防等領(lǐng)域發(fā)揮獨(dú)特作用，而且對(duì)當(dāng)今的社會(huì)發(fā)展也日漸重要。量子密碼是量子信息領(lǐng)域最有可能獲得實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)。傳統(tǒng)的保密通信可以分為“加密”、“接收”、“解密”三個(gè)過(guò)程，發(fā)送者將發(fā)送內(nèi)容通過(guò)某種加密規(guī)則（密鑰）轉(zhuǎn)化為密文，接收者在接到密文后采用與加密密鑰匹配的解密密鑰對(duì)密文進(jìn)行解密，得到傳輸內(nèi)容。 量子保密通信的過(guò)程也相同，只不過(guò)作為加密和解密的密鑰不再是傳統(tǒng)的密碼，而是改用微觀粒子攜帶的量子態(tài)信息。這一看似微小的變化，使密鑰的安全性產(chǎn)生了徹底變化。

量子密碼術(shù)以量子物理基本規(guī)律為依據(jù)，利用量子態(tài)的非局域糾纏性，使任何竊取信息的過(guò)程都不可能不留下痕跡，而量子不可克隆原理，又使非法者不可能采用任何技術(shù)通過(guò)克隆竊取信息，這就從根本上保證了量子通信的保密性和可靠性。目前采用量子光學(xué)原理，已成功在光纖中實(shí)現(xiàn)了30km的密鑰傳遞，為量子密碼術(shù)的發(fā)展展現(xiàn)了美好前景。中科院開展了利用光糾纏態(tài)進(jìn)行量子保密通訊的實(shí)驗(yàn)研究，目前在量子通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化研究方面，中國(guó)科大潘建偉小組于2008年建成光量子電話網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了“一次一密”加密方式的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通話。

量子密碼傳送的實(shí)驗(yàn)分兩類：一類是光子在通常用的光纖中傳播；另一類是在自由空間中傳播。自由空間中的量子密鑰分配通常利用偏振態(tài)來(lái)編碼，主要困難是大氣環(huán)境、背景光等復(fù)雜因素的影響嚴(yán)重，因此通常只能在天氣良好無(wú)月光的深夜開展實(shí)驗(yàn)。相比較于自由空間傳輸而言，光纖量子密鑰分配更易實(shí)現(xiàn)和實(shí)用，當(dāng)然由于光纖存在損耗，因此光纖量子密碼的傳輸距離只能在幾百公里的范圍內(nèi)；除了距離，更需要解決的問(wèn)題是如何滿足多用戶需求。所以光纖量子密碼實(shí)用化的關(guān)鍵性問(wèn)題是發(fā)明新型的光學(xué)干涉環(huán)，解決相位編碼光纖QKD系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題，另外是發(fā)明量子路由器，解決實(shí)現(xiàn)光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性困難。這兩項(xiàng)現(xiàn)在百公里和小范圍的光纖網(wǎng)絡(luò)中得以應(yīng)用量子密碼，建設(shè)量子密碼網(wǎng)絡(luò)并非易事，還涉及網(wǎng)絡(luò)工程和現(xiàn)代光通信等領(lǐng)域，需要物理學(xué)家和網(wǎng)絡(luò)工程師、通信工程師、軟件工作者的通力合作。

2.2量子計(jì)算機(jī)

目前的計(jì)算機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)都是基于經(jīng)典物理規(guī)律，稱之為經(jīng)典計(jì)算機(jī)。近些年來(lái)，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到經(jīng)典計(jì)算機(jī)有著某些不可克服的局限性。比如，不可能產(chǎn)生真正的隨機(jī)數(shù)序列，無(wú)法模擬一個(gè)常規(guī)的量子力學(xué)系統(tǒng)或者說(shuō)在有限的時(shí)間內(nèi)模擬一個(gè)常規(guī)的量子力學(xué)系統(tǒng)等；此外，從經(jīng)典計(jì)算機(jī)發(fā)展來(lái)看，計(jì)算機(jī)的速度進(jìn)一步提高，也意味著芯片更高的集成與微型化。當(dāng)二氧化硅表面的電路線度小到電子大小的尺度時(shí)，電子在電路中的行為不再服從經(jīng)典力學(xué)規(guī)律，取而代之的將是量子力學(xué)規(guī)律。這些都將制約著現(xiàn)代信息科學(xué)或者說(shuō)經(jīng)典信息科學(xué)的發(fā)展，量子力學(xué)的發(fā)展為信息科學(xué)的發(fā)展提供了可靠的物理基礎(chǔ)。數(shù)年前，在幾平方毫米的芯片上可以集成上百個(gè)微激光器，現(xiàn)在，在5”的襯底上可以集成108 個(gè)微激光器。這種高密度的管子集成，為光通信、光計(jì)算等高科技的進(jìn)一步開拓和發(fā)展開辟了美好的前景。

我國(guó)現(xiàn)在為實(shí)現(xiàn)固體量子計(jì)算機(jī)，主要開展3個(gè)方面的工作：一是基于新材料的半導(dǎo)體量子芯片；二是基于微納米光腔的量子仿真；三是基于表面等離子體金屬納米結(jié)構(gòu)的量子輸運(yùn)。在量子計(jì)算機(jī)中，一串處于疊加態(tài)的量子比特，可以被糾纏在一起，完成大量信息的同時(shí)編碼與平行運(yùn)算，這樣便使得運(yùn)算速度獲得突破性提高，完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)不可能完成的運(yùn)算。然而，量子計(jì)算機(jī)在基于半導(dǎo)體的芯片可持續(xù)發(fā)展將不可避免的依賴新一代的基于量子力學(xué)的計(jì)算芯片的出現(xiàn)，但真正研發(fā)出有意義的量子芯片的實(shí)現(xiàn)任重而道遠(yuǎn)，甚至還具有很大的不確定性。

三、總結(jié)

我國(guó)的量子通信技術(shù)發(fā)展迅速，位居世界前列。在2009 年成功實(shí)現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的量子隱形傳態(tài)，這一距離是目前國(guó)際上自由空間糾纏光子分發(fā)的最遠(yuǎn)距離，也是目前國(guó)際上沒有竊聽漏洞的量子密鑰分發(fā)的最大距離。中國(guó)科學(xué)家在自由空間量子通信方向上的一系列工作引起了國(guó)際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。下一步科學(xué)家們正在計(jì)劃通過(guò)自由空間實(shí)現(xiàn)幾百公里的量子通信，超越光纖傳輸?shù)臉O限。量子通信比較傳統(tǒng)通信技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)：抗干擾能力強(qiáng)，不需要借助傳統(tǒng)信道；量子密碼幾乎不可能被破譯，保密性強(qiáng)；線路時(shí)延幾乎為零，傳輸速度快。

目前量子通信技術(shù)已經(jīng)引起很多國(guó)家政府和軍方的高度關(guān)注。一方面量子通信保密性強(qiáng)，在軍事上幾乎難以被敵方破譯，能夠保證己方軍事行動(dòng)不被敵方所偵析。另一方面量子通信技術(shù)能夠抵御未來(lái)量子計(jì)算機(jī)技術(shù)帶來(lái)的威脅。眾所周知，運(yùn)用現(xiàn)有的高速計(jì)算機(jī)來(lái)破解復(fù)雜的加密算法可能需要幾萬(wàn)年，在現(xiàn)實(shí)中是難以接受的。然而量子計(jì)算機(jī)卻只需大約幾分鐘。如果量子計(jì)算機(jī)投入使用，就意味著任何傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)密碼體制都不再安全。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]光纖量子密碼網(wǎng)絡(luò)，溫浩 郭光燦 現(xiàn)代物理知識(shí) 2007年第4期

[2]量子信息技術(shù) 郭光燦 重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào) 2010年10月

[3] 量子通信技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)及應(yīng)用 詹源源 科協(xié)論壇2011年第2期

[4]量子密碼研究進(jìn)展 馬瑤瑤 福建電腦 2011年第7期

[5]量子光學(xué)與量子信息 彭堃墀 中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)科學(xué)前沿 2000年 4月

[6]量子光學(xué)與量子信息領(lǐng)域中的中國(guó) 白雨虹 楊秀彬 嚴(yán)寒 光學(xué)精密工程 2007年5月