量子通信基本原理及其发展

量子通信基本原理及其发展

量子通信（Quantum Teleportation）是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子通信是20世纪80年代开始发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，21世纪初，这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。

量子通信又称量子隐形传送（QuantumTeleportation），“teleportation”一词是指一种无影无踪的传送过程。量子通信是由量子态携带信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程。量子通信是一种全新通信方式，它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息，是未来量子通信网络的核心要素。

按照常理，信息的传播需要载体，而量子通信是不需要载体的信息传递。从物理学角度，可以这样来想象隐形传送的过程：先提取原物的所有信息，然后将这些信息传送到接收地点，接收者依据这些信息，选取与构成原物完全相同的基本单元（如：原子），制造出原物完美的复制品。

量子隐形传送所传输的是量子信息，它是量子通信最基本的过程。人们基于这个过程提出了实现量子因特网的构想。量子因特网是用量子通道来联络许多量子处理器，它可以同时实现量子信息的传输和处理。相比于经典因特网，量子因特网具有安全保密特性，可实现多端的分布计算，有效地降低通信复杂度等一系列优点。

量子通信是经典信息论和量子力学相结合的一门新兴交叉学科，与成熟的通信技术相比，量子通信具有巨大的优越性，具有保密性强、大容量、远距离传输等特点，是21世纪国际量子物理和信息科学的研究热点。

2 研究历史

1982年，法国物理学家艾伦·爱斯派克特（AlainAspect）和他的小组成功地完成了一项实验，证实了微观粒子“量子纠缠”（quantumentanglement）的现象确实存在，这一结论对西方科学的主流世界观产生了重大的冲击。从笛卡儿、伽利略、牛顿以来，西方科学界主流思想认为，宇宙的组成部份相互独立，它们之间的相互作用受到时空的限制（即是局域化的）。量子纠缠证实了爱因斯坦的幽灵——超距作用（spookyactioninadistance）的存在，它证实了任何两种物质之间，不管距离多远，都有可能相互影响，不受四维时空的约束，是非局域的（nonlocal），宇宙在冥冥之中存在深层次的内在联系。

在量子纠缠理论的基础上，1993年，美国科学家C.H.Bennett提出了量子通信（QuantumTeleportation）的概念。量子通信概念的提出，使爱因斯坦的“幽灵（Spooky）”——量子纠缠效益开始真正发挥其真正的威力。1993年，在贝内特提出量子

通信概念以后，6位来自不同国家的科学家，基于量子纠缠理论，提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案，即将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方，把另一个粒子制备到该量子态上，而原来的粒子仍留在原处，这就是量子通信最初的基本方案。量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义，而且可以用量子态作为信息载体，通过量子态的传送完成大容量信息的传输，实现原则上不可破译的量子保密通信。

1997年，在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作，首次实

现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态”，作为信息载体的光子本身并不被传输。

为提高通信质量，科学家们还在减少干扰源方面努力。2006年，欧洲科学家让光子在

自由空间而不是光纤中完成了一次量子通信过程。通信在相距144公里的西班牙加纳利群岛

的LaPalma岛和Tenerife岛之间根据E91协议展开，2007年6月，又根据BB84协议将实

验重复了一次，以检测通过卫星进行量子通信的可能性，研究中通过创下了通信距离达144公里的最远纪录。而要达到更远的距离很难，因为大气容易干扰光子脆弱的量子状态。而巴伯利小组想出了解决办法，通过人造卫星来发送光子。由于大气随高度的增加而日趋稀薄，在卫星上旅行数千公里只相当于在地面上旅行8公里。

2008年，一支意大利和奥地利科学家小组宣布，他们首次识别出从地球上空1500公里处的人造卫星上反弹回地球的单批光子，实现了太空绝密传输量子信息的重大突破。这一突破标明在太空和地球之间可以构建安全的量子通道来传输信息，用于全球通信。

经过发展，到2012年，量子通信这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展，主要涉及的领域包括：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。

3 基本原理

量子通信是利用了光子等粒子的量子纠缠原理。量子信息学告诉人们，在微观世界里，不论两个粒子间距离多远，一个粒子的变化都会影响另一个粒子的现象叫量子纠缠，这一现象被爱因斯坦称为“诡异的互动性”。科学家认为，这是一种“神奇的力量”，可成为具有超级计算能力的量子计算机和量子保密系统的基础。

量子态的隐形传输在没有任何载体的携带下，而只是把一对携带信息的纠缠光子分开来，将其一的光子发送到特定的位置，就能准确推测出另一个光子的状态，从而达到“超时空穿越”的通信方式和“隔空取物”的运输方式。

量子态隐形传输就是远距离传输，是在无比奇特的量子世界里，量子呈现的“纠缠”运动状态。该状态的光子如同有“心电感应”，能使需要传输的量子态“超时空穿越”，在一个地方神秘消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方瞬间出现。虽然一些媒体解读“量子通信”时，常常转载使用了“超时空传送”这个容易引起误解的词。事实上，纠缠的两个粒子尽管可以在很远的距离上一个影响另一个，但它们无法传递任何信息。以密钥为例，当双方共享同一套密钥时，并没有发生信息的传递双方无法利用密钥做任何事情，直到加密的文本传来，密钥才有意义传送加密文本的速度仍然不可能超过光速。相对论没有失效。量子通信和传统通信的唯一区别在于，量子通信采用了一种新的密钥生成方式，而且密钥不可能被第三方获取。量子通信并不神奇。

量子通信图中左边的Alice，想要把量子态X传给Bob。她利用纠缠光子对A和B，Alice 拥有纠缠光子中的A，而Bob拥有B。纠缠光子A、B构成量子通道，电话或是互联网可作为经典通道。首先，Alice对需要传送的X和她手中的A作"贝尔测量"。测量后，X的量子态塌缩了，A也发生变化。因为A和B互相纠缠，A的变化立即影响B也发生变化。然而，Bob 无法察觉B的变化，直到从经典通道得到Alice传来的信息。比如说，Alice在电话中将测量结果告诉Bob。然后，Bob对B进行相应的变换处理。最后，B成为和原来的X一模一样。这个传输过程完成之后，X塌缩隐形了，X所有的信息都传输到了B上，因而称之为"隐形传输"。

在建立量子态隐形传输的基础上，科学家又叠加上了“后选择”算法，完成了一种新模型（P-CTCs）。“后选择”算法能够确保某一特定类型的量子信息态进行隐形传输，而将其他量子信息过滤掉。只有经“后选择”法认定传输前后能自相一致的量子信息态，才有资格得到这种“通行证”，进行隐形传输。这种情况下，时间旅行成立的先决条件就是一个自治、不产生矛盾的环境状态。它允许回到过去时空，但禁止一切可能在未来导致悖论产生的行为。

4 系统组成

量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。

按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类：前者主要用于量子密钥的传输，后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。

5 存在问题

有人指出量子密码可能并非想象中的牢不可破。在2008年，就有瑞典林雪平大学学者拉森和挪威科技大学学者马卡罗夫分别指出量子通信体系的漏洞。虽然这些并不是量子密码原理的不完满，而是系统的不适应，却也让人们对未来的量子通信体系留有一些不确定。

而量子力学本身留给人们的不确定性更多。量子纠缠中超越光速的超距作用因违背光速不变原理而让爱因斯坦认为难以置信，而量子纠缠的发生机理至今（2012年）仍是未解之谜。路甬祥把量子力学与广义相对论之间的不相容问题列为当代科学所面临的四大难题之首。

6 应用状况

量子通信不仅在军事、国防等领域具有重要的作用，而且会极大地促进国民经济的发展。自1993年美国IBM的研究人员提出量子通信理论，美国国家科学基金会、国防高级研究计划局都对此项目进行了深入的研究。瑞士、法国等欧美国家也成立公司进行量子通信的商业研发。

欧盟在1999年集中国际力量致力于量子通信的研究，研究项目多达12个。

日本邮政省把量子通信作为21世纪的战略项目。

在国家安全、金融等信息安全领域，量子保密通信技术也开始发挥作用。2004年奥地

利银行作为世界上首个采用量子通信的银行，利用该技术将一张重要支票从市长处传至银行。2007年瑞士全国大选的选票结果传送过程也采用了量子保密通信技术，以保证结果的绝对

安全。

2009年，量子政务网、量子通信网相继在中国建成。这两个可投入实际使用的量子通

信网络，标志着原本停留在纸面和实验室的量子保密通信，已经开始在人们的日常生活中应用。

2011年，中国科学院启动了空间科学战略性先导科技专项，计划在2015年左右发射全球首颗“量子通讯卫星”。中国于2011年10月在青海湖首次成功实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发。

意大利帕多瓦大学的一组研究人员日前通过对4个在轨飞行卫星的实验，证实了卫星之间以及卫星与地面站之间进行量子通信是完全可能的。相关论文发表在著名的预印本网站arXiv上，该研究为基于卫星的广域量子通信提供了广阔的想象空间。

科学家们已经找到了通过光纤进行量子信息传输的方法，并获得了成功。但由于光子在玻璃中的传输会发生一定程度的衰减，这种方法在传输距离上目前还比较有限。此外，也有科学家直接通过空气进行两点之间的量子信息传输，但干扰等问题的存在，仍然极大地限制了量子通信的距离。目前量子态隐形传输最远的记录只有144公里。

太空量子通信更是难上加难。因为量子信号在通过地球大气层时产生的错误率会远超过11%的阈值，而超出了这个极限，量子密码就无法正常工作。因此，不少科学家都认为地球与太空之间的量子通信是不可行的。

物理学家组织网7月1日的报道称，新研究中，意大利的研究小组试图改变这一成见。该小组发现了一种利用现有卫星实现量子通信实验的方法，并精心挑选出了4个在轨运行的卫星，它们都具有能够反射光子的金属立体角反射镜。研究人员认为，借助这些卫星保留光子的极化，将能够让太空量子通信成为可能。为了对比实验结果，他们还选择了另一个没有立体角反射镜的卫星。

当卫星过顶时，研究人员在意大利的马特拉激光测距观测站向所有的卫星都发出了光子信号，并测定卫星何时能将数据返回。研究人员发现正如预期的那样，没有立体角反射镜的对照卫星出现了高达50%左右的错误率，而另外4个具有立体角反射镜的卫星，数据错误率全部都低于11%的阈值。这表明，这些卫星能够产生连贯的光子信号，并与地面站之间进行完全安全的量子通信（利用量子密钥分配）。

研究人员称，中国计划在2016年将全球首颗“量子通讯卫星”送入轨道，还有其他国家也有类似的计划，并正在进行实验，量子通信领域的更多进展将在未来几年集中显现。