量子通信

量子通信是量子信息學(xué)的一個重要分支量子通信是基于量子糾纏技術(shù)，通過量子糾纏產(chǎn)生的鏈?zhǔn)叫?yīng)實現(xiàn)信息傳輸這種通信方式利用量子力學(xué)原理操縱量子態(tài)，在兩地之間交換信息，可以完成經(jīng)典通信無法完成的任務(wù)量子通信是迄今為止被嚴(yán)格證明是無條件安全的通信方式，可以有效解決信息安全問題。

量子通信的核心是以量子態(tài)對信息進(jìn)行編碼和傳輸，其通信過程遵守量子不確定性原理、量子力學(xué)的基本物理原理，如量子相干疊加量子非局域性等，都是基于量子力學(xué)中的不確定性、測量崩潰和不可克隆三大原理提供了無法被竊聽和被計算破解的安全性量子通信主要分為量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)。

量子隱形傳態(tài)是基于量子糾纏對的分布和貝爾態(tài)的聯(lián)合測量來實現(xiàn)量子態(tài)的信息傳輸，其中量子態(tài)信息的測量和確定仍然需要現(xiàn)有通信技術(shù)的輔助。量子隱形傳態(tài)中糾纏對的制備、分布測量等關(guān)鍵技術(shù)有待突破，處于理論研究和實驗探索階段，離實用化還有較大差距。 量子密鑰分發(fā)又稱量子密碼，通過量子疊加態(tài)的傳輸測量實現(xiàn)通信雙方安全的量子密鑰共享，然后通過一次一密的對稱加密系統(tǒng)實現(xiàn)更加安全保密的通信，即通信雙方使用與明文長度相同的密碼逐位加密解密。

2023年3月9日，北京量子信息科學(xué)研究院袁志良團(tuán)隊首創(chuàng)量子密鑰分發(fā)開放式新架構(gòu)，利用光頻梳技術(shù)成功實現(xiàn)615 km光纖量子通信。這種架構(gòu)既能保證量子通信的安全性，又能大大降低系統(tǒng)建設(shè)成本，為在國內(nèi)建設(shè)多節(jié)點(diǎn)廣域量子網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。

光是有波動的，也就是在傳播的過程中，一邊前進(jìn)一邊振動振動可以在垂直于空間傳播方向的任何方向上。但是我們可以在中途加一個偏振鏡，讓垂直于振動方向的偏振鏡發(fā)出的光可以通過。這樣，通過的光線亮度會大大減弱，從而減輕眼睛的負(fù)擔(dān)。

在二維空間是X和Y，在三維空間是X、Y、z軸，把這兩組基板想象成偏光片當(dāng)一束光通過襯底時，只有這個方向偏振的光子被保留下來，也就是說，這個光子的偏振態(tài)是唯一的。It 就像一根穿過柵欄的繩子，抓住一端，上下擺動?xùn)艡诰拖褚粭l繩子“透明”是的，它贏了不干涉繩子擺動，但是如果它左右擺動，繩子的波動就會被柵欄擋住。

以A到B的密鑰傳輸為例：

首先，發(fā)送方A用水平垂直襯底和傾斜45°襯底制備光子，制備后指定偏振態(tài)。比如它們在X軸偏振的光子記為1，在Y軸偏振的記為0。也就是說，如果偏振態(tài)看起來是0，那么從水平和垂直襯底中篩出的光子代表二進(jìn)制數(shù)1；如果是90，代表二進(jìn)制數(shù)0。之后，A隨機(jī)選取一批具有一定偏振態(tài)的光子，通過正常信道逐一發(fā)送給接收機(jī)B。此時，光子的分配可以記錄為長度為n的二進(jìn)制字符串。b接收到a的光子后，隨機(jī)選擇一個襯底進(jìn)行測量。如果B和A選擇相同的底物，測量結(jié)果將與A 的作業(yè)。如果選擇了錯誤的基底，光子將不會通過，表現(xiàn)出完全隨機(jī)的性能。因為只有0和1兩個賦值，所以在這種情況下錯誤率是50%

之后，B通過其他渠道，如公用電話，與A核對測量結(jié)果。他沒有不需要告訴A他得到了什么結(jié)果，只需要告訴A他選擇了什么底物。這樣就可以剔除錯誤的結(jié)果，保留正確的結(jié)果，從而形成長度m（Mn）的二進(jìn)制字符串成為原始密鑰。此時，A已經(jīng)知道了B測量光子所用的底物序列，所以A每次給B發(fā)送隨機(jī)脈沖時，都會附上一個序列對錯的列表。接收到脈沖后，B將誤差表與自己的測量結(jié)果進(jìn)行比較。這樣，他知道哪些數(shù)字是正確的，從而獲得正確的密鑰。

一般來說，量子通信有兩種，一種是量子隱形傳態(tài)；一個是量子密鑰分發(fā)。前者利用量子的不可復(fù)制性和測量的隨機(jī)性產(chǎn)生量子密碼，對傳統(tǒng)的數(shù)字通信進(jìn)行加密；而后者利用量子糾纏直接傳輸量子比特。量子隱形傳態(tài)是為了未來量子計算機(jī)之間的通信。

量子隱形傳態(tài)是基于量子糾纏對的分布和貝爾態(tài)的聯(lián)合測量來實現(xiàn)量子態(tài)的信息傳輸，其中量子態(tài)信息的測量和確定仍然需要現(xiàn)有通信技術(shù)的輔助。量子隱形傳態(tài)中糾纏對的制備、配送計量等關(guān)鍵技術(shù)需要突破目前都處于理論研究和實驗探索階段，離實際使用還有很大差距。

量子密鑰分發(fā)又稱量子密碼，是通過量子疊加態(tài)的傳輸測量，實現(xiàn)通信雙方安全的量子密鑰共享，然后通過一次一密的對稱加密系統(tǒng)實現(xiàn)無條件的安全秘密通信，即通信雙方使用與明文長度相同的密碼進(jìn)行逐位加密和解密。經(jīng)過近30年的發(fā)展，量子密鑰分發(fā)從理論協(xié)議到器件體系已經(jīng)趨于成熟，現(xiàn)在已經(jīng)有了小規(guī)模的試點(diǎn)應(yīng)用和初步的產(chǎn)業(yè)化趨勢。基于量子密鑰分發(fā)的量子保密通信已經(jīng)成為未來保障網(wǎng)絡(luò)信息安全的一種非常有潛力的技術(shù)手段，是量子通信理論和應(yīng)用研究領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)。

量子態(tài)隱形傳輸

因為量子糾纏是非局域的，即無論兩個糾纏粒子相距多遠(yuǎn)，測量其中一個粒子的狀態(tài)必然會同時得到另一個粒子的狀態(tài)這“信息”的獲取不受光速的限制。利用這種跨越空間的糾纏態(tài)來傳輸信息，基于量子糾纏態(tài)的量子通信應(yīng)運(yùn)而生這種利用量子糾纏態(tài)的量子通信是“量子隱形傳態(tài)”Quantum teleportation）

量子隱形傳態(tài)的過程（即傳輸協(xié)議）一般分如下幾步：

1）制備一個糾纏粒子對。向A點(diǎn)發(fā)射粒子1，向b點(diǎn)發(fā)射粒子2。

2）在A點(diǎn)，另一個粒子3攜帶一個它想要傳輸?shù)牧孔游籕。所以A點(diǎn)的粒子1和B點(diǎn)的粒子2會和粒子3一起形成一般態(tài)。在點(diǎn)A同時測量粒子1和粒子3，并獲得測量結(jié)果測量會使粒子1和粒子2的糾纏態(tài)崩塌，但粒子1和粒子3同時糾纏。

3）A點(diǎn)的黨使用古典渠道（是一種經(jīng)典的溝通方式，比如電話或者短信）把你的測量結(jié)果告訴b點(diǎn)。

4）B點(diǎn)的一方在收到A點(diǎn)的測量結(jié)果后，知道B點(diǎn)的粒子2處于哪種狀態(tài)。對粒子2做一個簡單的操作，就會變成粒子3測量前的狀態(tài)。即粒子3攜帶的量子比特從A點(diǎn)到B點(diǎn)無損耗傳輸，而粒子3本身只停留在A點(diǎn)，沒有到達(dá)B點(diǎn)。 

以上是通過量子糾纏實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)的方法，即通過量子糾纏將一個量子比特從一個地方無損耗地傳送到另一個地方，這也是目前最主要的量子通信方式。應(yīng)當(dāng)注意，由于這些步驟（3）它是一個經(jīng)典的信息傳輸，不可忽略，所以它限制了整個量子隱形傳態(tài)的速度，使量子隱形傳態(tài)的信息傳輸速度不能超過光速。

因為量子計算需要直接處理量子位，那么“量子隱形傳態(tài)”這種直接的量子比特傳輸將成為未來量子計算之間的量子通信方式未來，量子隱形傳態(tài)和量子計算機(jī)終端可以形成一個純粹的量子信息傳輸和處理系統(tǒng)，即量子互聯(lián)網(wǎng)。

量子密鑰分發(fā)

量子密鑰分發(fā)（量子 密鑰 分配， QKD）作為密鑰的安全傳輸方法，可以在兩個遠(yuǎn)程通信終端之間發(fā)送密鑰。在安全通信過程中，需要用密鑰對信息進(jìn)行加密和解密，密鑰的安全性保證了信息的安全性。

與傳統(tǒng)方式不同，量子密鑰分發(fā)在理論上是無條件安全的，其安全性由量子力學(xué)的基本原理來保證。量子不可克隆定理表明，不可能完美地克隆任何量子態(tài)。因此，任何對量子密鑰分發(fā)過程的竊聽，都可能改變量子態(tài)本身，導(dǎo)致誤碼率很高，從而使竊聽被發(fā)現(xiàn)。一般來說，量子態(tài)在QKD的傳輸依賴于光子的編碼、傳輸、測量實現(xiàn)的。

在量子密鑰分發(fā)中，通信雙方首先隨機(jī)調(diào)制和測量單個光子的偏振態(tài)，然后根據(jù)調(diào)制和測量結(jié)果進(jìn)行協(xié)商、糾錯和信息處理，最后得到共享的量子密鑰。由于單個光子的隨機(jī)偏振具有量子疊加態(tài)的特性，任何竊聽行為都會導(dǎo)致量子態(tài)的崩塌和信道誤碼率的增加，從而被雙方檢測到。密鑰傳輸?shù)陌踩曰谖锢硖匦院途幋a協(xié)議，不依賴于計算復(fù)雜度，從而排除了密碼被計算破解的可能性。在量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，單光子源還不成熟，集成欺騙調(diào)制的弱相干脈沖源是現(xiàn)實的選擇光子探測器和隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的性能對密鑰生成率傳輸距離等性能指標(biāo)也有重要影響。量子密鑰分發(fā)結(jié)合一次性加密在理論和協(xié)議上可以提供無條件的安全性，但是實際設(shè)備和系統(tǒng)的非理想特性仍然會成為可能被竊聽者利用的安全漏洞不斷測試和提高量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的真實安全性也是量子通信技術(shù)發(fā)展的重要方向。

因為量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)基于協(xié)議原理、組網(wǎng)方式、設(shè)備性能和實際安全性存在限制，商用系統(tǒng)的安全密鑰率只有10kbit左右/s數(shù)量級，目前網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離約為100km，實驗報道的最高密鑰速率約為2Mbit/s量級（傳輸距離在40km左右時），最大光纖傳輸距離約200km（約1kbit/s密鑰速率時）目前量子密鑰分發(fā)主要是針對城域的語音加密應(yīng)用根據(jù)協(xié)議、器件和系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展和完善有望提高密鑰速率和傳輸距離，并逐步擴(kuò)展到干線高速傳輸?shù)募用軕?yīng)用。

實用點(diǎn)對點(diǎn)量子通信

實際的點(diǎn)對點(diǎn)量子通信需要隨機(jī)改變相干態(tài)的脈沖強(qiáng)度來測量單光子計數(shù)率。以此為輸入?yún)?shù)，提取最終碼，該方法得到的最終碼的安全性與理想單光子源得到的安全性相當(dāng)。對于弱相干光源發(fā)出的脈沖，有的是多光子脈沖，有的是單光子脈沖。誘餌法的主要作用是在接收端測量Bob的探測結(jié)果（初始碼）其中有多少源自發(fā)射端（Alice端）光源的單光子脈沖或多或少源于發(fā)射端的多光子脈沖。基于這個至關(guān)重要的參數(shù)，可以提取出安全的最終碼，相當(dāng)于在發(fā)射端只使用單光子脈沖產(chǎn)生的那部分初始碼，而舍棄多光子脈沖產(chǎn)生的那部分初始碼在安全性方面的最終效果相當(dāng)于使用理想的單光子源。

量子網(wǎng)絡(luò)通信

借助光開關(guān)技術(shù)，誘騙態(tài)方法也可以用來實現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)。因為沒有量子存儲器，這個網(wǎng)絡(luò)的 量子密鑰分發(fā)距離不能超過點(diǎn)對點(diǎn)的量子密鑰分發(fā)距離。但是網(wǎng)絡(luò)上任意兩個用戶都可以通過光開關(guān)切換實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)。2009年，我國實現(xiàn)了  節(jié)點(diǎn)鏈量子通信網(wǎng)絡(luò)，這是世界上第一個基于誘騙方案的量子語音通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)了實時網(wǎng)絡(luò)通話和三方對講功能，展示了無條件安全量子通信的實用性。這一成果很快被美國《Science》雜志刊登為3356“量子電話” 被舉報，也被歐洲物理學(xué)會《物理世界》舉報為3356“量子網(wǎng)絡(luò)誕生于中國” 做了專題報道。2009年8月，中國科大潘建偉團(tuán)隊在合肥建成了 53356個節(jié)點(diǎn)的星型全通量子電話網(wǎng)絡(luò)。

量子中繼和遠(yuǎn)程量子通信

目前，使用誘餌法的最遠(yuǎn)實驗距離是200公里。雖然隨著探測技術(shù)的提高，距離還會進(jìn)一步提高，但基于經(jīng)典相干態(tài)光源的誘餌態(tài)方法由于編碼率隨距離呈指數(shù)下降，且中間無法放大單個量子態(tài)信號，很難直接完成全局量子通信任務(wù)。

遠(yuǎn)程量子通信的最終實現(xiàn)將依賴于量子中繼，其基本思想如下：許多網(wǎng)站建立在太空中首先利用量子糾纏分發(fā)技術(shù)在相鄰站點(diǎn)之間建立共享糾纏對，利用量子存儲技術(shù)存儲糾纏對。利用長距離自由空間傳輸技術(shù)實現(xiàn)量子糾纏轉(zhuǎn)換，即增加量子糾纏對的空間分離距離如果預(yù)先在每個相鄰的3356站點(diǎn)中安排糾纏對，那么在糾纏轉(zhuǎn)換操作之后，可以實現(xiàn)下一個最近鄰站點(diǎn)之間的共享糾纏。如果繼續(xù)操作，原則上可以在兩個相距遙遠(yuǎn)的站點(diǎn)之間建立共享糾纏，即可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信。

諾貝爾物理學(xué)和量子通信獎

貝爾不等式的根源來自于1935年的愛因斯坦、波多斯基和羅森提出的一個悖論是EPR（Albert Einstein-lukas podolski-Rosen）佯謬：要么是量子理論不完備，要么是量子力學(xué)會導(dǎo)致超光速作用，這與定域性相反。EPR佯謬質(zhì)疑的不是量子力學(xué)的正確性，而是量子力學(xué)的不完全性。

1964年，英國物理學(xué)家約翰·貝爾定義了一個可觀測的測量，基于局域隱變量理論，預(yù)言測量值不超過2，而利用量子理論，可以得出最大值可以達(dá)到2√2。一旦實驗測量結(jié)果大于2，就說明局部隱變量理論是錯誤的。貝爾一直在研究愛因斯坦和愛因斯坦s面貝爾 s研究隱變量理論的初衷是為了證明量子理論的非定域性是錯誤的，但后來所有的實驗都表明定域隱變量理論的預(yù)言是錯誤的，量子理論的預(yù)言與實驗是一致的。貝爾的誕生s不等式宣告了量子理論的局部爭議從帶有哲學(xué)色彩的純理論思辨轉(zhuǎn)變?yōu)閹в袑嶒灴勺C偽性的科學(xué)理論。

美國理論和實驗物理學(xué)家約翰·弗朗西斯·克勞澤（John  F.Article  ）一個儀器被建造來一次發(fā)射兩個糾纏的光子，每個光子被發(fā)射到一個過濾器來測試它的偏振。1972年，他和博士生斯圖亞特·弗里德曼（Stuart Friedman  ）1944-2012）合在一起，它顯示了一個明顯違反貝爾 s不等式，并且與量子力學(xué)的預(yù)言相一致。

在接下來的幾年里，約翰·克勞斯和其他物理學(xué)家繼續(xù)討論這個實驗及其局限性其中之一就是實驗在產(chǎn)生和捕獲粒子方面普遍不科學(xué)，測量是預(yù)設(shè)的，濾鏡的角度是固定的。消除這個特殊的漏洞是非常困難的，因為糾纏的量子態(tài)是如此脆弱，難以管理；有必要處理單個光子。

然后是法國物理學(xué)家艾倫·阿斯佩（阿蘭 方面)該設(shè)備的新版本在幾次迭代中被建立和改進(jìn)。在他的實驗中，他可以記錄通過過濾器的光子和沒有通過過濾器的光子t。這意味著探測到更多的光子，測量結(jié)果也更好。在他測試的最后一個變體中，他還能夠以不同的角度將光子導(dǎo)向兩個過濾器。一種策略是在糾纏光子產(chǎn)生并從它們的源頭發(fā)出后，轉(zhuǎn)換它們的方向。過濾器之間只有6米的距離，所以轉(zhuǎn)換需要在幾十億分之一秒內(nèi)完成。如果關(guān)于光子將到達(dá)哪個過濾器的信息影響了它從光源發(fā)射的方式，那么它將不會到達(dá)那個過濾器。實驗中，一側(cè)濾光片的信息無法到達(dá)另一側(cè)，影響那里的測量結(jié)果。就這樣，艾倫·Aspe填補(bǔ)了一個重要的漏洞，并提供了一個非常清晰的結(jié)果：量子力學(xué)是正確的，沒有隱藏變量。

1998年，安東·塞林格（Anton Zeilinger）還有人在奧地利因斯布魯克大學(xué)完成了貝爾定理實驗，徹底消除了本地化漏洞實驗結(jié)果是決定性的；安東，2015·塞林格（Anton Zeilinger）做了個實驗，被夸沒漏洞“無漏洞”這個實驗證明了貝爾不等式不成立，同時排出了定位漏洞和測量漏洞。

2022年，法國物理學(xué)家艾倫·阿斯佩（阿蘭 方面）美國理論和實驗物理學(xué)家約翰·弗朗西斯·克勞澤（John  F.Article  ） 和奧地利物理學(xué)家安東·塞林格（Anton Zeilinger）三個人被授予諾貝爾物理學(xué)獎以表彰他們“糾纏光子的實驗證明量子力學(xué)違反了貝爾不等式，創(chuàng)造了量子信息科學(xué)。他們的研究為基于量子信息的新技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，包括量子計算、量子信息的傳輸和存儲，以及量子加密算法等。

量子通信在軍事、國防、金融等信息安全領(lǐng)域有很大的應(yīng)用價值和前景，不僅可以用在軍事上、國防等領(lǐng)域的國家級保密通信，也可用于涉及秘密數(shù)據(jù)和票據(jù)的電信、證券、保險、銀行、工商、地稅、金融等領(lǐng)域和部門，且技術(shù)相對成熟，未來市場容量巨大。