量子通信技術發展現狀及應用

蔣佳玲 朱長明 （中國運載火箭技術研究院研究發展中心）

信息的安全傳遞是人類千百年來的夢想之一，但計算能力的迅猛提升已經讓傳統加密技術變得越來越脆弱。特別是20世紀70年代以來，量子計算概念的提出及其初步演示驗證，更如同在傳統密碼安全性上方高懸的“達摩克利斯之劍”，隨時威脅著傳統通信系統的安全。量子通信的問世，重新點燃了建造“絕對安全”通信系統的希望。以美國為代表的世界主要軍事強國把量子科技列為國家戰略性發展領域，視其為繼微電子信息之后，極有可能引發軍事、經濟、社會領域又一次重大革命的關鍵技術。

1 概念及原理

量子通信是近30年發展起來的新興交叉學科，是量子力學、通信理論以及計算機科學相結合的產物。

量子通信的基本思想主要由美國科學家Bennett等于20世紀80年代起提出，主要包括量子密鑰分發（QKD）和量子態隱形傳輸。

量子密鑰分發可以建立安全的通信密碼，通過“一次一密”的加密方式實現點對點的安全通信。這里的安全性在數學上已經獲得嚴格證明，是傳統通信迄今為止做不到的。現有的量子密鑰分發技術可以實現百千米量級的量子密鑰分發。

量子態隱形傳輸是基于量子糾纏態的分發與量子聯合測量，實現量子態（量子信息）的空間轉移而又不移動量子態的物理載體，這如同將密封信件內容從一個信封內轉移到另一個信封內而又不移動任何信息載體自身，顛覆了傳統通信的傳輸模式。而量子糾纏是指有共同來源的兩個微觀粒子之間，無論相距多遠都能“感應”對方的狀態，當你對其中一個粒子進行測量時，也會影響到另一個粒子的狀態，盡管兩者之間沒有任何方法可以相互溝通，但它就好比雙胞胎之間的心靈感應。這一現象被愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”。

量子態具有不可分割、不可測量、不可克隆的特性，與以往的通信技術相比，量子通信技術具有以下主要特點與優勢。

量子態隱形傳輸示意圖

1）絕對安全。量子通信最大的顛覆性就是其無條件安全，信息傳遞過程中采用“一次一密”的加密方式，任何截獲或測量量子密鑰的操作，都會改變量子狀態，從而確保了兩地之間通信的絕對可靠。

2）超大信道容量。量子通信的信息傳輸載體為光量子態，根據量子信息論原理，1個光量子在常溫下可攜帶幾十比特信息，而現行的傳統光通信系統，折合1個光量子在常溫下僅能攜帶幾十分之一比特信息。這使得量子通信容量比傳統光通信提高了幾個數量級。

3）超高通信速率。量子信息的傳遞速度取決于量子態的塌縮速度，而塌縮速度大大超過光速。因而，理論上量子信息的傳遞速度是超光速的。

2 發展現狀

國外研發動態

美國對量子通信的理論和實驗研究開始較早，是最先將量子技術列入國家戰略、國防和安全研發計劃的國家。20世紀末，美國政府便將量子信息列為“保持國家競爭力”計劃的重點支持課題。2006年，美國洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）國家實驗室進一步完善了誘騙態方案，并實現了超過100km的量子保密通信實驗。2007年，美國科學家讓兩個獨立原子實現了量子糾纏和遠距離量子通信。2009年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）和洛斯阿拉莫斯國家實驗室分別建成了兩個多節點量子通信互聯網絡，并與空軍合作進行了基于飛機平臺的自由空間量子通信研究，建成城域量子通信驗證網。同年，美國麻省理工學院科學家繼續在冷原子中量子存儲和波動研究領域有了新的突破，該方面技術是設計量子信息網絡的關鍵。近期，美國航空航天局（NASA）計劃在其總部與噴氣推進實驗室（JPL）之間建立一個直線距離600km、光纖皮長1000km左右的包含10個骨干節點的遠距離光纖量子通信干線，并計劃拓展到星-地量子通信。

歐盟推出了用于發展量子信息技術的“歐洲量子科學技術”計劃以及“歐洲量子信息處理與通信”計劃，這是繼歐洲核子中心和航天技術采取國際合作之后，又一針對重大科技問題的大規模國際合作。2006年，歐洲慕尼黑大學與維也納大學聯合研究團隊成功實現了誘騙態方案，并實現了超過100km的量子保密通信實驗。2007年，由奧地利、英國、德國等多國科學家合作，在量子通信中圓滿實現了通信距離達144km的最遠紀錄。2008年，意大利和奧地利科學家研究團隊首次識別出從地球上空1500km處的人造衛星上反彈回地球的單批光子，實現了太空絕密傳輸量子信息的重大突破，為將量子通信用于全球通信做好了準備。

日本政府提出了以新一代量子通信技術為對象的長期研究戰略，并計劃在2020－2030年間建成絕對安全保密的高速量子通信網，從而實現通信技術應用上質的飛躍。日本國家信息通信技術研究所（NICT）計劃在2020年實現量子中繼，到2040年建成極限容量、無條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網絡。

我國量子通信技術領先研究團隊及其成果

國內研發動態

我國涉足量子通信研究的時間與西方國家相當。目前，我國在量子密鑰分發的實用化方面已躋身世界前列。最近幾年，伴隨誘騙態方案的提出，新技術突破不斷涌現，自主研發的量子路由器、量子程控交換機及終端設備已能滿足實用化要求。2014年，中國科學技術大學研究團隊將遠程量子密鑰分發系統的安全距離擴展至200km，并將成碼率提高了3個數量級，創下新的世界記錄。目前，國內已有多家致力于量子通信技術研發的公司相繼成立，如山東量子科學技術研究院有限公司、安徽問天量子科技股份有限公司、安徽量子通信技術有限公司等。

相比于量子密鑰分發，量子隱形傳態的實用化進程還有較長的路要走。2011年，中國科學院聯合研究團隊在青海湖首次成功實現了百千米量級的自由空間量子隱形傳態和雙向糾纏分發，為基于衛星的廣域量子通信奠定了基礎。2015年2月，中國科學技術大學科研人員在量子領域獲得重要研究進展，在國際上首次成功實現多自由度量子體系的隱形傳輸。這是自1997年國際上首次實現單一自由度量子隱形傳態以來，科學家們在量子信息實驗研究領域取得的又一重大突破，為發展可擴展的量子計算和量子網絡技術奠定了堅實的基礎。

另外，2014年12月，世界首顆“量子科學實驗衛星”完成了關鍵部件的研制與交付，中國有望在2016年前后發射，衛星在軌設計壽命為2年。“量子科學實驗衛星”是中國科學院戰略性先導科技專項，啟動于2011年，主要目的是開展衛星與地面間絕對安全的高速量子密鑰分發實驗，通過高精度的捕獲和跟瞄系統，建立超遠距離的量子信道，并在此基礎上進行廣域量子通信網絡的演示，這將是國際上首次星-地間量子通信實驗。同時，該工程還將建設4個量子通信地面站和1個空間量子隱形傳態實驗站，以此形成天地一體化的量子通信實驗系統，這將為確保我國網絡通信安全、國家安全做出重大現實貢獻。

總體來說，世界主要國家在量子通信領域的研究已進入大規模應用前夕，并加快朝著實用化前景發展。世界各國政府、國防部門、科技界和信息產業界對此均給予高度重視，圍繞量子通信技術的國家能力競爭也就顯得日趨激烈。全球信息產業界的國際巨頭們，如國際商業機器公司（IBM）、飛利浦公司（Philips）、美國電報電話公司（AT&T）、貝爾實驗室（Bell）、惠普公司（HP）、西門子公司（SIEMENS）、日本電氣股份有限公司（NEC）、日立公司（HITACHI）、三菱公司（MITSUBISHI）、日本電信電話株式會社（NTT）等也對量子通信技術投放了高額研發資本，抓緊開展量子通信技術的研發，并奮力推進產業化。

3 軍事應用前景

在作戰指控系統中的應用

現代戰爭形態正向無人、無聲、無形的“三無戰爭”演變，而無人系統的運用離不開精準、精密、安全的指控系統。量子安全直接通信方式幾乎可以不用借助傳統信道進行數據傳輸，可以達到很高的安全性。但由于其目前傳輸速率有限，更適合應用于傳輸信息量小、對保密性要求高的應用場合。在電子化指揮控制系統中，由于諸元及核安控信息、作戰指揮信息等要求絕對保密，而且信息量較少，對通信速率要求不高，更適合于采用量子安全直接通信方式進行通信。

在深海作戰中的應用

岸基與深海之間的通信一直是世界性難題。當今，深海軍事通信用的是無線電長波，不僅系統龐大、造價高、抗毀性差，還僅能實現海水下百米左右的很短距離通信。而量子波束，由于其隱形態傳輸與傳播媒質無關，可以在深海下自由通信，這就為遠洋深海軍事安全通信開辟了一條嶄新的途徑。水下潛艇再也不需要浮出水面來通信，也避免了因發射無線電而暴露自身位置。

在核戰爭中的應用

由于量子束的糾纏特性極強，并且不會受到核輻射的影響，因此適合于核戰爭的環境。例如，當發生核戰爭時，被安置在巖石深處的指揮部若使用量子通信系統，其量子束發射機不會受到原子彈的破壞，其量子束接收機還能正常接收通信信息。這是由于量子通信信息的“傳輸”不是采用通常的通信方式，而是采用量子糾纏態的“感知”優越性能。

在精確導航中的應用

國外物理學家們正設想利用“量子糾纏”技術，建立一個原子鐘全球網絡，這將提高衛星導航系統的性能，檢測出時間和空間上的微小變化，獲取更精確的地面位置信息以及時間標準。連接在網絡中的每臺時鐘都可以向中心衛星發送臨時更新信息，報告它們的信息狀態，隨后網絡將對其整體性能進行微調。

4 應用于導彈武器通信系統需要解決的若干問題

將先進的光子量子通信技術應用于導彈武器或飛行器上需要解決如下幾個瓶頸問題。

環境適應性不強

單光子探測器主要基于半導體的雪崩效應，往往會由于環境的微小擾動發生雪崩而給出一個信號，造成暗計數偏多的現象，導致誤碼。導彈武器系統的工作環境往往復雜惡劣，存在較大的干擾，工程應用中密鑰的傳輸效率會受到顯著影響。

高動態條件快速跟瞄較難

由于低軌衛星與地面相距遙遠且與地面不是相對靜止，要實現信號精確的同步、跟瞄較難。另外，由于導彈武器的高動態運動屬性及飛行環境的復雜性，因而無法精確預測其彈道，這更增加了快速精確跟瞄的難度。

體積、質量較大

現有的光學量子設備體積和質量較大，但是導彈武器和作戰車輛內部空間狹小，且導彈對載荷質量較為敏感。因此，小型化、輕量化是將量子通信技術應用于導彈武器系統的關鍵工程問題。

在這幾個瓶頸問題解決之前，如何利用量子原理實現高動態條件下的安全無線通信是國際研究的熱點。目前，基于無線信道宏、微觀特征的對稱密鑰生成與分發技術被認為是最有前景的保密通信技術，美國國防高級研究計劃局已經啟動了該項技術的研究。清華大學、國防科學技術大學、解放軍信息工程大學等國內優勢單位也已經開展了該方向的部分研究。

5 結束語

中國在量子通信的基礎研究和產業化推進上與國外諸強基本保持同一水平，甚至在某些領域已經領先歐美發達國家。民用方面，我國斥巨資在部分城市建立了量子通信網，并在2015年初實現了銀行業電子檔案信息在同城間的加密傳輸；軍用方面，進入工程普及還需要3～5年時間。回顧我國科研工作者在量子通信領域內的多年付出，可以看到中國正在該領域悄然崛起。面對即將到來的顛覆性技術革命，中國不能只做一個“追隨者”，應當抓住機遇，搶占先機，真正實現跨越式的發展，做量子科技進步的領軍者。