量子通信技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

趙麗君

【關(guān)鍵詞】量子比特 量子糾纏 隱形傳態(tài) 現(xiàn)狀及發(fā)展

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，量子通信作為后摩爾時代的新技術(shù)，會逐漸走進(jìn)人們的生活，尤其在金融、國防、信息安全等方面的應(yīng)用將做出巨大的貢獻(xiàn)。目前我國已經(jīng)在光纖量子通信、空間量子隱形傳態(tài)、糾纏分發(fā)和量子存儲等關(guān)鍵技術(shù)方面取得了一些具有國際先進(jìn)水平的科研成果，整體發(fā)展水平居于世界前列。

1 量子通信簡介

量子通信的概念是由美國科學(xué)家C.H.Bennett于1993年提出的，他指出量子通信是由量子態(tài)攜帶信息的通信方式，是利用光子等基本粒子的量子糾纏原理實(shí)現(xiàn)保密通信過程。

量子通信的最大優(yōu)點(diǎn)是其具有理論上的無條件、安全性和高效性。它對金融、電信、軍事等領(lǐng)域有極其重要的意義，目前在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)獲得了一定的發(fā)展。量子通信主要有量子密鑰分配、量子隱形傳態(tài)、量子安全直接通信和量子機(jī)密共享等。

2 量子信息的基本概念

2.1 量子

量子是構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元，是能量的最基本攜帶者，其基本特征是不可分割性。

2.2 量子比特

量子比特（quantum bit，簡寫為qubit或qbit），與經(jīng)典比特（bit）只能處在“0”或“1”的某一種狀態(tài)不同，量子比特既可能處于0態(tài)，也可能處于1態(tài)，還可能處于這兩個態(tài)的疊加態(tài)。量子比特的實(shí)現(xiàn)最常采用的是以光信號為載體，還可以是電子、原子核、超導(dǎo)線路和量子點(diǎn)等載體。光信號主要包括單光子和連續(xù)變量。單光子可以用垂直偏振和45°偏振表示量子比特|0>，用水平偏振和135°偏振表示量子比特|1>，還可以用光子的相位和光脈沖中的光子數(shù)來表示量子比特。連續(xù)變量可以用廣義位置和廣義動量的取值來表示量子比特。

2.3 量子糾纏

糾纏是量子粒子之間的連接，是宇宙的結(jié)構(gòu)單元。在量子力學(xué)中能夠制備這樣兩個糾纏的粒子態(tài)，當(dāng)一個粒子發(fā)生變化，立即在另一個粒子中反映出來，——不管它們之間相隔多遠(yuǎn)。量子糾纏指的是兩個或多個量子系統(tǒng)之間的非定域非經(jīng)典的強(qiáng)關(guān)聯(lián)。

1982年，法國物理學(xué)家愛倫.愛斯派克特和他的小組成功地完成了微觀粒子“量子糾纏”現(xiàn)象確實(shí)存在的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛因斯坦的“幽靈”——超距作用的存在，證實(shí)了任何兩種物質(zhì)之間不管距離多遠(yuǎn)，都有可能相互影響，不受四維時空的約束，是非局域的。量子糾纏反映了量子理論的基本特性：相干性、或然性和空間非定域性。這些特性已經(jīng)廣泛應(yīng)用于量子通信中，實(shí)現(xiàn)基于糾纏的量子密鑰分發(fā)、量子秘密共享、密集編碼和隱形傳態(tài)等。

2.4 量子隱形傳態(tài)

量子隱形傳態(tài)是將量子糾纏特性作為通信信道使用，從而實(shí)現(xiàn)任意未知量子態(tài)傳輸?shù)囊环N技術(shù)，它傳輸?shù)牟辉偈墙?jīng)典信息而是量子態(tài)攜帶的量子信息。

量子隱形傳態(tài)示意圖如圖1。

量子隱形傳態(tài)的基本原理，就是對待傳送的未知量子態(tài)與EPR對的其中一個粒子實(shí)施聯(lián)合Bell基測量，由于EPR對的量子非局域關(guān)聯(lián)性，此時未知態(tài)的全部量子信息將會“轉(zhuǎn)移”到EPR對的第二個粒子上，根據(jù)經(jīng)典通道傳送的Bell基測量結(jié)果，對EPR的第二個粒子的量子態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的幺正變換，使之變?yōu)榕c所傳送的未知態(tài)完全相同的量子態(tài)，從而達(dá)到量子態(tài)的轉(zhuǎn)移。在傳送過程中，原物始終留在發(fā)送者處，接收者是將別的物質(zhì)單元制備成為與原物完全相同的量子態(tài)，雙方對這個量子態(tài)一無所知。經(jīng)典信道傳送的是發(fā)送者的測量結(jié)果，不包含未知態(tài)的任何內(nèi)容。

2.5 量子通信協(xié)議

量子通信協(xié)議是指量子通信的雙方完成通信或服務(wù)所必須遵循的規(guī)則和約定。量子通信協(xié)議按照通信任務(wù)目標(biāo)可分為隱形傳態(tài)、密集編碼和量子保密通信協(xié)議。BB84協(xié)議是最早提出的量子保密通信協(xié)議，也是最接近實(shí)用化的量子通信協(xié)議。

BB84協(xié)議示意圖如圖2。

BB84協(xié)議使得兩個經(jīng)過認(rèn)證的通信雙方在遙遠(yuǎn)的兩地可以連續(xù)地建立密鑰，進(jìn)而通過一次一密密碼本加密協(xié)議實(shí)現(xiàn)安全通信。它以“海森堡不確定性原理”和“未知量子態(tài)的不可克隆性”的特性為基礎(chǔ)，開辟了密鑰分發(fā)和保密通信的方向。目前BB84協(xié)議正在向性能穩(wěn)定、高速成碼、網(wǎng)絡(luò)化的產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。

3 量子通信的幾種技術(shù)簡介

3.1 量子信號的產(chǎn)生技術(shù)

量子信號的產(chǎn)生技術(shù)包括糾纏光子信號的產(chǎn)生技術(shù)、單光子信號的產(chǎn)生技術(shù)和連續(xù)變量量子信號的產(chǎn)生技術(shù)。用光子晶體光纖產(chǎn)生糾纏的技術(shù)，系統(tǒng)有穩(wěn)定、易于集成的優(yōu)點(diǎn)，在未來的中短距離量子通信中，將占主導(dǎo)地位。目前技術(shù)上較為成熟的弱相干準(zhǔn)單光子源技術(shù)被廣泛用來實(shí)現(xiàn)BB84等量子保密通信協(xié)議。壓縮態(tài)、糾纏態(tài)、相干態(tài)產(chǎn)生技術(shù)是連續(xù)變量量子信號產(chǎn)生技術(shù)，用來實(shí)現(xiàn)連續(xù)變量量子通信協(xié)議。

3.2 量子信號的調(diào)制技術(shù)

在量子通信中，不同的量子態(tài)資源決定了不同的量子信號調(diào)制方式。單光子量子信號的調(diào)制常用偏振調(diào)制、相位調(diào)制和頻率調(diào)制，連續(xù)變量量子信號的調(diào)制常用高斯調(diào)制和離散調(diào)制。

3.3 量子信號的探測技術(shù)

在量子通信系統(tǒng)中，接收端中最重要的器件是量子信號探測系統(tǒng)。單光子探測器屬于量子通信系統(tǒng)中的單光子信號探測技術(shù)，半導(dǎo)體雪崩光電二極管單光子探測器是實(shí)際系統(tǒng)中用得比較多的單光子探測技術(shù)。連續(xù)變量量子通信是將信息加載到光場的正交振幅和正交相位上的，它不同于單光子只是一個單純的強(qiáng)度測量，而是需要借助一束本地光進(jìn)行干涉測量。平衡零拍探測器是專門進(jìn)行光場兩正交分量測量的連續(xù)變量體系的探測技術(shù)。

3.4 量子中繼技術(shù)

由于量子信號的不可克隆性，量子通信無法直接采用經(jīng)典通信中“恢復(fù)——放大”的過程，而非定域的糾纏態(tài)是量子通信的重要資源，利用遠(yuǎn)距離分發(fā)糾纏粒子之間的非局域性可以實(shí)現(xiàn)隱形傳態(tài)、密集編碼等一系列量子通信協(xié)議。量子糾纏具有可交換性，采用基于糾纏交換的中繼方案可以解決長距離通信的問題。

量子中繼示意圖如圖3。

3.5 量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

在量子通信網(wǎng)絡(luò)中，主要有量子空分交換技術(shù)、量子時分交換技術(shù)、量子波分交換技術(shù)等。量子空分交換是通過改變光量子信號的物理傳輸通道來實(shí)現(xiàn)光量子信號的交換；量子時分交換是在時間同步的基礎(chǔ)上對光量子信號進(jìn)行時分復(fù)用而進(jìn)行的交換；量子波分交換是將光量子信號經(jīng)過波分解復(fù)用器、波長變換器、波長濾波器、波分復(fù)用器而進(jìn)行的交換。

量子通信網(wǎng)絡(luò)有三個功能層面：量子通信網(wǎng)絡(luò)管理層、量子通信控制層和傳輸信道層。由量子通信控制層進(jìn)行呼叫連接處理、信道資源管理和建立路由，進(jìn)而控制光纖通道建立端到端量子信道，管理層負(fù)責(zé)資源和鏈路等的管理，控制層和管理層的功能由經(jīng)典通信鏈路完成。

4 量子通信的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

目前，量子通信在單光子、量子探測、量子存儲等關(guān)鍵技術(shù)已獲得突破和發(fā)展，各種量子理論體系日趨完善，量子通信技術(shù)已逐步進(jìn)入試點(diǎn)應(yīng)用階段。當(dāng)今，美國、德國、日本等各國都投入了重金大力研究量子通信技術(shù)，我國也取得了豐碩的成果，在部分領(lǐng)域甚至世界領(lǐng)先，這必將促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

2012年初，我國中科院士潘建偉帶領(lǐng)的技術(shù)團(tuán)隊，在合肥建成了國際上首個規(guī)模化的節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)46個的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)。從2012年開始，我國還構(gòu)建了基于量子通信的高安全通信保障系統(tǒng)，在北京已經(jīng)投入永久運(yùn)營，為十八大、2015年9.3閱兵都提供了重要的信息安全保障。

2016年底，北京和上海之間將建成一條全長2000余公里的量子保密通信骨干線路“京滬干線”，它是連接北京、上海的高可信、可擴(kuò)展、軍民融合的廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，主要開展遠(yuǎn)距離、大尺度量子保密通信關(guān)鍵驗(yàn)證、應(yīng)用和示范。此干線可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程高清量子保密視頻會議系統(tǒng)和其他多媒體跨越互聯(lián)應(yīng)用，也可以實(shí)現(xiàn)金融、政務(wù)領(lǐng)域的遠(yuǎn)程或同城數(shù)據(jù)災(zāi)備系統(tǒng)，金融機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等應(yīng)用。2016年7月份中國將發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)通訊衛(wèi)星，這標(biāo)志著我國通信技術(shù)的突破性發(fā)展，標(biāo)志著中國同時在軍用通信領(lǐng)域站在了世界的最前列，之后會陸續(xù)發(fā)射的更多量子通訊衛(wèi)星，就可以建成全球性的量子通信網(wǎng)絡(luò)。正如潘建偉院士所說量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的發(fā)射，將表明中國正從經(jīng)典信息技術(shù)的跟隨者，轉(zhuǎn)變成未來信息技術(shù)的并跑者、領(lǐng)跑者，量子通信將會盡快走進(jìn)每個人的生活，就像計算機(jī)曾經(jīng)做到的一樣，改變世界。量子通訊衛(wèi)星和“京滬干線”的成功將意味著一個天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)的形成。

量子通信與傳統(tǒng)的經(jīng)典通信相比，具有極高的安全性和保密性，且時效性高傳輸速度快，沒有電磁輻射，它的這些優(yōu)點(diǎn)決定了其無法估量的應(yīng)用前景。通過光纖可以實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，通過中繼器連接實(shí)現(xiàn)城際量子網(wǎng)絡(luò)，通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信，最終構(gòu)成廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。未來數(shù)年內(nèi)，量子通信將會實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，經(jīng)典通信的硬件設(shè)施并不會被完全取代，而是在現(xiàn)有設(shè)施的基礎(chǔ)上進(jìn)行融合。在通信發(fā)送端和接收端安裝單光子探測器、量子網(wǎng)關(guān)等量子加密設(shè)備，即可在電話、傳真、光纖網(wǎng)絡(luò)等原有的通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)量子通信，這將大大地提升通信的安全性。量子通信有望在10到15年之后成為繼電子和光電子之后的新一代通信技術(shù)，這種“無條件安全”的通信方式，將從根本上解決國防、金融、政務(wù)、商業(yè)等領(lǐng)域的信息安全問題。

5 結(jié)束語

展望量子通信的前景，未來能夠形成天地一體化的全球量子通信網(wǎng)絡(luò)，形成完整的量子通信產(chǎn)業(yè)鏈和下一代國家主權(quán)信息安全生態(tài)系統(tǒng)，構(gòu)建基于量子通信安全保障的互聯(lián)網(wǎng)。對于通信維護(hù)人員來說，就應(yīng)該緊跟時代的步伐，加快學(xué)習(xí)新技術(shù)、新知識，以適應(yīng)科技發(fā)展的需要，將所學(xué)所知更好地運(yùn)用于我們的實(shí)際工作和生活中。

參考文獻(xiàn)

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