量子通信技術研究現狀

李賡

（長春理工大學電子信息工程學院，吉林 長春 100732）

0 引言

量子通信和經典通信一樣，存在著一定的無條件可靠、高效、容量大等優點。量子通信基本思路是將原物的信號分為經典信息和量子信號二部分，并且分別由經典信道和量子通道傳輸給接受方。目前，量子通信的主要技術包括量子密鑰分發和量子隱形傳態。量子通信技術是指利用了波粒二象性基本原理實現的一類通信技術，因為量子通信的消息載體一般都是量子態，而其運動、傳播和相互作用都要遵循發出的磷光基本原理。從理論上可以證明，即使遭到攻擊，量子通信技術仍可保證通信雙方安全的交換信息。圖1為量子通信發展狀況。現在，量子通信技術已應用在政府[1]、軍隊、國防工業、金融機構以及信息安全等領域中，均有著重要的運用[2]。

圖1 量子信息傳輸的研究范疇

1 量子技術領域分類

1.1 量子密鑰分發

現實中，量子密鑰分發是根據量子力學的一些基本原理來保證系統的安全。為實現量子保密通信，量子密鑰分發協議于1984年首先提出，如圖2所示[3]。通過基于量子糾纏的量子密鑰分發，通信用戶之間可以直接生成通信密碼，且糾纏源不需要掌握關于密鑰的相關信息。這種方式也從根本上解決了量子糾纏通信源端的安全加密問題，也就是說，即使衛星信號被劫持，或通信設備完全受到加密控制，基于量子糾纏的各種量子通信密鑰仍是安全的。

圖2 量子密鑰分發

量子密鑰分發技術的商業化得到了銀行的大力支持，2017年3月，中國農業銀行啟動了量子通信試點應用項目，2018年2月完成農業銀行量子通信網絡的搭建，6月實現了試點業務系統在量子加密通道上的傳輸，提高了試點業務系統的高可用性。量子通信技術已在銀行安全領域廣泛應用，助力農業銀行網絡信息安全水平的進一步提升。徽商銀行安徽分公司也順利運用了量子通信技術，完成了該行與美國國家金融服務認證中心(CFCA)之間對數字認證信息系統端到端的加密功能。中國銀行先后參與了量子“京滬干線”外地應用，上海陸家嘴量子金融網實現了同城應用，人民銀行人民幣跨境收納系統的量子應用也在建設。另外，根據電子支付體系的加解碼要求，中央清算總管理中心提供了一個全新的量子密鑰應用場景：將量子密鑰解碼到業務系統的應用層。清算總管理中心已經開發和建立了量子密鑰分配體系。目前，支付消息發送平臺通過通用指揮中心通信軟件(PMTS-N2N)完成與量子密鑰系統的連接，并從量子密鑰系統中提取量子密鑰，對消息進行加密。

1.2 量子隱形傳態

量子隱形傳輸是指量子狀態從一個地方傳播到另一個地方的“無實體”轉換，傳播的對象是量子比特，是遠距離量子通信和分布式量子計算的核心功能單元[4]。1997年，奧地利Zeilinger組織率先實現了對未知量子隱形的外傳態遠程通信；2011年，在世界上第一個完成了百千米量級的自由空氣量子隱形傳態與纏繞分配，并解答了地面通信運載火箭的中長距離信號傳播問題；2018年，與歐盟量子旗艦計劃合作建立歐洲量子互聯網聯盟(QIA)。2019年，南京大學報道了中國基于無人駕駛飛行器開展的空氣量子纏繞分配實驗和觀測試驗，無人駕駛飛行器攜帶光學發射機載荷，完成了與地面接收站點間200m間距的空氣量子纏繞分配測量[5]（圖3）。2020年，中國科學院郭光燦博士及其隊伍用六光子系統實驗，完成了最有效的高維量子隱形傳態。同年，美國科研團體也率先在44km的距離上實現了保真度超過90%的量子隱身傳態。不過，量子隱身傳態研究目前仍大多局限于不同平臺和環境條件下的試驗研究中，離真正實用還有一定距離。

圖3 基于無人機的光學中繼量子糾纏分發系統示意圖

1.3 量子通信網絡

第一次多用戶量子通信網絡實驗是Towsend等人于1997年進行的，該實驗以量子通信終端為網絡控制器，通過光共分器實現了多用戶密鑰分配。2008年，歐洲SECOQC量子通信網絡成功演示運行。2009年，瑞士的日內瓦國際量子通信網絡系統已經完工建造并在隨后工作了大約一年半的時間[6]。至2019年初，國家電網公司已通過該網，建設了超過2600km的量子密鑰分發信道，并完成了電量通信資料數據加密傳輸，第一次在工程上成功試驗了星地量子通信開展現實服務的可能性。現今，在“墨子號”量子通信實驗衛星和京瀘干道的相互作用下，我國正式完成了4600km的量子秘密通信網絡系統，建立了全球上首個天下合一的廣域量子通信網絡系統雛形。現在，“京瀘干線”光纖網絡已經開始給附近的居民提供應用。上海交通大學與江西師范大學的合作團隊采用了量子安全直接通信原理，首次實現了在互聯網中十五個應用間的安全通信，該實驗為未來的通信網絡提供了重要的技術支持。

2 量子通信技術發展歷程

量子通信的全稱是“量子加密通信”，以量子狀態傳輸實現為基礎，應用領域廣泛，量子密碼通信是其中之一。由于量子通信系統利用了量子的疊加態機理，密鑰全部隨機，無法檢出，因此，與經典通信相比，安全系數可以提高。量子通信協議技術是目前實現全球量子空間通信的重要技術基礎。目前，已經發展出各種通信協議，如糾纏光子信息的量子隱形傳態通信協定、量子密集編碼通信協定，采用單光子信息的BB84量子通信協議、B92協議和六態量子通信協議等[7]，以及使用了連續變量函數信息的連續變量量子隱形傳態接口平臺、連續變量量子密集編碼接口平臺等。2010年，由我國科大與清華學院聯合的自由空氣量子通信試驗成功，使通信距離由幾百米的紀錄進一步突破到16km。2012年，中國第一次順利進行了百千米量級的自主空間量子的隱形傳態和糾纏傳播，為星地間的量子通信關鍵技術研制提供了堅實基礎[8]。2013年，中國科學技術研究所完成了星地密鑰分配實驗[9]。2016年8月16日“墨子號”成功起飛，在當今世界上領先完成了月球與地底內部的量子通信，并形成了天地合一的量子保密通信和科學實驗系統；分別于2017年6月、8月，“墨子號”運載火箭分別在全球上率先成功進行千公里級運載火箭與地面間的量子糾纏傳播、量子密鑰分配及其量子隱形數據傳輸。2017年，當今世界上第一條無線量子保密通信系統“京瀘干線”建成。2020年，中國“墨子號”無線量子科學實驗探測衛星在境內國際上率先完成了基于量子糾纏技術的千公里毫秒級無線量子密鑰及時分發，將以往基于地面無中繼器的量子保密信息通信的量子空間探測距離精度提高了一個新的數量級。可以說，量子通信技術的發展速度非常快，從中國城域通信到城際、陸地到太空衛星，量子通信的科學實驗和技術落地在不斷探索取得新的進展。

3 量子通信技術中存在的問題

3.1 單光子源

在已知的量子通信光源中,單光子源是完全安全的[10]。但是，目前實際上可以控制的電激發的單光子源尚未成功研究，制約當前技術水平的因素在量子點光源的規模、形態一致性、光的發光特性、光譜的單色等方面存在諸多困難。

3.2 光分存儲器

目前，光量子通信存儲器等關鍵技術始終是整個量子通信網絡發展的難題，現今還處于理論研發和實驗室驗證的階段，暫時還無法應用到通信技術中。

3.3 量子中繼技術

如圖4所示，量子中繼的特點是，相距較遠的兩個節點之間的相互糾纏能夠透過兩個距離較近的糾纏態進行糾纏轉換而實現。量子中繼技術在研究領域方面已提供了多種方式，而在工程實踐方面，受限于光纖的固有衰減及光與原子糾纏亮度低等技術瓶頸，通信距離有限。

圖4 量子中繼

3.4 量子通信系統的穩定性

由于技術設備等問題，可能受到攻擊導致信息被竊取，系統還有提升空間[11]。

3.5 標準化難度大

標準化是將量子通信由實用化走向產業化的重要步驟，但目前量子通信涉及眾多新技術，從理論到實際應用有太多未知因素，這給量子通信的標準化帶來了諸多困難[12]。

4 量子通信技術的前景

當前中國已經實現了量子通信在電力、國家安全、金融等方面的應用，還將延伸到互聯網、云計算、供應鏈及5G[13]等方面。從長遠目標分析，隨著我國新推出的量子衛星科技、量子中繼、量子計算技術、量子傳感器等新興技術應用的實現與突破，中國通過建立量子通訊網將進行分布式網絡的量子計算機與量子傳感器聯接，還將逐漸形成包括量子云計算技術、量子傳感網等許多嶄新的科技應用。對量子通信過程來說，最易于建立和實現的信息技術便是光纖量子信道，而通過光纜科學技術構建出來的量子信道則具備了傳輸平穩，容易實現等許多優勢。與采用光纜科學技術的量子通信技術不同，其是采用獨立空間結構的量子通信技術。圖5表示了一種可以通過與地球衛星平行中轉的全球量子高速通信網絡實現解決方案，利用這個實現方法，就能夠在星球上的任何兩點間形成高速量子互聯網通道，實現全球覆蓋乃至全球的高速量子網絡通信。基于全球星地量子空間通信和基于星地量子空間中繼的覆蓋，全球星地量子空間通信網絡服務的逐步建立，將導致全球的通訊網絡產生巨大的變革，在全球范圍內所有必須嚴格保密的消息都將被更加方便的傳播，信息流的安全性也將到達前所未有的高度。量子通信未來將擴展到航天領域[14]、深海領域[15-16]等特殊應用領域。

圖5 利用衛星實現遠距離度量子通信實驗

5 結語

本文對量子通信的原理、應用和前景做了簡單介紹。隨著現代科技越來越成熟，量子通信技術也在不斷的進步發展和完善之中，其在金融業已經開始了應用，并且正在走入更多實際應用場景。當前，該技術已經成為未來國家科技發展的重要領域之一，具備著巨大的技術潛力和廣闊的應用市場，但是仍面臨著許多的技術難題，需要研究人員不斷努力攻克。同時該技術未來更多是聚焦在量子通信的實際應用上，加快量子技術與各行業深度融合，讓量子通信進入更多全新領域，發揮其應有的重要作用。