陳 暉，徐兵杰，王運兵

(保密通信重點實驗室，成都 610041)

0 引言

在過去的幾十年里，信息技術遵循著自身發(fā)展規(guī)律給社會帶來了天翻地覆的變化，迄今信息技術的變革路線依然被這個發(fā)展規(guī)律所左右。1965年，戈登.摩爾提出，在至少10年內，集成電路的集成度會每兩年翻一番。后來發(fā)現(xiàn)，IT產品的性能大約每18個月翻一番。目前，英特爾已經采用幾十納米工藝生產芯片，如果摩爾定律依然適用，將很快發(fā)展到采用十幾納米甚至幾納米工藝，這毫無疑問將進入“量子工藝”階段。實際上，近十年來，量子信息技術(QIT，quantum information technology)，特別是量子密鑰協(xié)商[1](QKD，quantum key distribution)保持著快速發(fā)展的態(tài)勢，因此，量子信息技術的實際應用為期不遠。

1 概述

QIT的典型特征是作為信息載體的量子態(tài)具有量子特性，它具有一些經典信息技術所不具有的特性，如:測不準、量子態(tài)不可克隆和量子糾纏等。目前QIT主要包括量子密鑰協(xié)商、量子傳感和量子計算等分支[2～4]。

由于在數(shù)據(jù)傳輸安全性、傳感測量靈敏度和精確度、量子計算的并行性等方面的特殊優(yōu)勢，近十年，QIT發(fā)展十分迅速。目前，QIT應用研究熱點局限于量子保密通信(特別是QKD)、量子計算基礎理論等。另外，由于在精密探測和精確定位方面的良好應用前景，量子傳感也得到了一定的關注。這些前沿技術有望在中短期內得到一定的實際應用。以下重點介紹QKD、量子傳感和量子計算等方面的研究現(xiàn)狀、應用前景和發(fā)展趨勢等。

1.1 量子通信和量子密鑰協(xié)商

通常，量子通信主要是指利用量子糾纏和量子隱形傳態(tài)現(xiàn)象進行的通信，但是相關量子科技還不太成熟，相關技術很難在中短期內得到實際應用[5]。量子通信在竊聽檢測和通信保密方面具有天然的理論優(yōu)勢，并且在QKD等技術的影響下已無可置疑地成為一個具有戰(zhàn)略意義的前沿技術領域之一，以QKD為代表的物理安全的量子保密通信技術的實用化也已是一個明顯的趨勢[6～8]。

根據(jù)海森堡測不準原理和量子不可克隆定理，未知量子態(tài)不能被精確復制和放大。由于非正交態(tài)測不準，任何針對編碼于非正交量子態(tài)的竊聽行為都將不可避免地干擾和破壞量子態(tài)，從而影響合法接收者對這些非正交量子態(tài)測量的期望結果。通信雙方通過隨機公開一些比特的基信息和測量結果，就可以確定量子態(tài)傳輸過程是否被竊聽或干擾，并根據(jù)安全性判決條件決定是否采用已經傳輸?shù)牧孔訑?shù)據(jù)。這就是QKD的基本方法，系統(tǒng)架構如圖1所示，QKD系統(tǒng)需要占用量子信道和傳統(tǒng)信道資源。另外，由于量子密碼模型還不清晰，對量子密碼進行界定還缺少基礎理論支撐，因此，目前被廣泛引用的“量子密碼”都是指 QKD[9]。

圖1 QKD系統(tǒng)構成示意圖

實際上，QKD是基于量子態(tài)的安全傳輸特性實現(xiàn)的一種物理安全的隨機數(shù)據(jù)協(xié)商技術。QKD可以在一定程度上解決現(xiàn)有密碼系統(tǒng)密鑰的人工分發(fā)手段和量子計算環(huán)境下密碼通信的安全性問題，為信息系統(tǒng)安全保障提供支撐。但是，目前還缺少一個可以把QKD技術有機融合到軍事通信系統(tǒng)中的系統(tǒng)解決方案。綜合解決量子密鑰與傳統(tǒng)密碼系統(tǒng)的融合、量子密鑰終端到密鑰應用設備的“最后一公里”和“一到多”的系統(tǒng)需求、量子密鑰協(xié)商速率與實際應用需求的矛盾等諸多關鍵問題，對利用QKD技術進一步提高通信保密能力具有十分重要的意義。

1.2 量子傳感

量子傳感器是基于量子效應[10，11]或量子檢測特點實現(xiàn)的高精度的新型傳感器，它利用量子信號對環(huán)境變化的極高敏感性提高傳感器的靈敏度和測量精度。目前，量子傳感器在信息領域的應用研究主要包括的幾個方面，如圖2所示。

圖2 量子傳感器類型及其應用領域

光纖傳感器[12]在精密測量和探測、精確導航和制導等領域發(fā)揮著十分重要的作用。通過對傳統(tǒng)光纖傳感器的性能分析發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)光纖傳感器的不敏感區(qū)域或盲區(qū)，對量子傳感系統(tǒng)來說卻是一個具有更高自由度的極其敏感的測量區(qū)域，這正好是設計量子光纖傳感器的良好基礎。

通過對光纖彎曲式強度調制型光纖傳感器進行模擬發(fā)現(xiàn)，在光纖極度彎曲的情況下并緩慢松開的過程中，量子信號檢測器對通過彎曲光纖的光子數(shù)極其敏感，而傳統(tǒng)的光纖信號檢測儀器存在一定的測量盲區(qū);即量子檢測器對信號的微弱變化更加敏感。因此，量子光纖傳感器具有較高的技術可行性和較好的應用前景。然而相關技術還未引起廣泛的關注，目前公開文獻中只有少量關于量子霍爾傳感器、量子生物傳感器和基于量子糾纏的量子傳感器研究的介紹材料。

1.3 量子計算

量子并行計算的基礎是量子態(tài)的相干疊加性，n個量子位可以表達2n個狀態(tài)的信息，所以量子計算機在n個量子位的物理空間上提供了一個指數(shù)級規(guī)模的計算空間。量子計算機對n個量子存儲器實行一次操作，等效于經典計算機重復實施2n次操作，或者等效于采用2n個不同的處理器進行并行操作。如果將量子寄存器制備為若干數(shù)據(jù)的相干疊加態(tài)，然后進行線性幺正運算，則計算的每一步將同時對疊加態(tài)中的所有數(shù)據(jù)進行計算，這就是量子并行計算的基本原理[2]。

1994年Peter Shor發(fā)現(xiàn)了第一個具體的量子分解算法，它在設想的量子計算機上可以在輸入變量的多項式時間內分解大數(shù)因子，這給RSA和ECC等非對稱密碼系統(tǒng)的安全性提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。1996年Grover發(fā)現(xiàn)了隨機數(shù)據(jù)庫搜索的量子迭代算法，它有可能解決經典上所謂的NP完全問題。因此，基于傳統(tǒng)密碼算法的保密通信體系將面臨著潛在的巨大威脅[2，3]。

基于量子計算具有超高速和超高效處理的可能性，搜索引擎巨頭Google也開始研究一種可以自動識別和分類圖像或視頻的量子算法。世界上很多研究小組也都在為創(chuàng)造以量子比特為單位存儲信息的量子處理器而努力。此處引述谷歌舉的一個例子來說明量子計算的效率:要發(fā)現(xiàn)隱藏在100萬個抽屜中的某一個抽屜里的一個小球，經典計算機平均需要找50萬次。而使用grover算法的量子計算機僅需1000次就能夠找到小球。由此可見量子計算具有特別的超高速和超高效處理潛力。

2 國內外研究現(xiàn)狀

2.1 QKD和量子通信現(xiàn)狀

目前，國外最遠的點到點光纖QKD實驗記錄超過250 km，其量子密鑰協(xié)商速率約10 b/s;量子密鑰協(xié)商速率最高實驗記錄也超過50 Mb/s(在50 km光纖中傳輸)。如果按照目前的研究進程預測，10年后，在50 km光纖中進行量子密鑰協(xié)商的速率將超過1 Gb/s，那么對于城域范圍內的應用將是可行性的。

目前，美國[6]、歐盟[7]、日本和中國[8]等都進行了QKD網絡實驗，世界各國都在積極進行相關應用研究。中國在QKD技術應用實驗方面走在世界前面，特別是中科大的兩個量子信息技術研究團隊都在積極部署QKD城域網，并將促進相關應用研究進程。

但是，目前QKD被實際應用的必要性基礎還不可靠，比如QKD系統(tǒng)的物理安全性模型及其安全性測評體系還不完善，QKD系統(tǒng)的實際安全性很難在中短期內得到完全解決等。另外，量子信號源、傳輸與檢測等方面的技術現(xiàn)狀與應用也有較大的差距。比如，量子糾纏信號源產生糾纏對的效率小于1%，產生糾纏對的頻率小于1 kHz;單光子信號源的效率小于10%;光纖信道損耗約0.2 dB/km，如果傳輸50 km，那么大約90%的量子信號丟失;單光子探測效率小于40%(在系統(tǒng)頻率小于200 MHz、暗記數(shù)小于1×10－5的情況下)。在這種情況下，量子態(tài)傳輸50 km的損耗超過99.9%，即編碼在量子態(tài)中的數(shù)據(jù)能夠被接收者檢測到的不超過0.1%，因此，短期內不可能利用量子態(tài)進行所謂的量子通信，但是，可以進行低速的量子密鑰協(xié)商，或者是量子隨機數(shù)生成。

2.2 量子傳感技術現(xiàn)狀

光纖傳感器在精密測量和探測、精確導航和制導等領域發(fā)揮著十分重要的作用[12～14]，其中典型的軍事應用是光纖水聽器在潛艇探測方面的應用;光纖陀螺儀在精確制導武器和導航方面的應用等。目前，傳統(tǒng)光纖位移傳感器、光纖水聽器和光纖陀螺儀的測量精確度和探測靈敏度基本都達到理論極限并且與高精度探測的需求還有一定差距，這已成為精密測量、精確探測和定位技術發(fā)展的瓶頸，并制約相關高精尖武器裝備的發(fā)展。

基于單光子和量子糾纏信號的安全傳輸性能，QKD引起了廣泛的關注并得到了快速發(fā)展，但是，量子信號對環(huán)境干擾的敏感性在一定程度上影響了QKD系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然而，量子信號對環(huán)境干擾的敏感性為開發(fā)量子傳感器奠定了良好的基礎。積極部署相關技術探索對于搶占QIT制高點至關重要。目前，量子雷達成像和定位、量子光纖水聽器、量子光纖陀螺儀、量子光纖竊聽檢測器等已引起了一些研究團隊的重視，并開始進行相關技術的探索研究。

2.3 量子計算和量子計算機現(xiàn)狀

2007年D-Wave宣布制造出世界上第一臺商用量子計算機。因為它沒有公開展示該計算機是如何基于量子特性工作的，很多人對D-Wave聲明的真實性表示懷疑。2011年，D-Wave基于其發(fā)表在《自然》雜志的論文“Quantum annealing with manufactured spins”設計了一款被命名為D-Wave One的商業(yè)量子計算機，處理器為128量子位!如果這個處理器是一個真正的量子處理器，那么這將是量子計算機領域的一個重大突破。

2010年3月，德國于利希研究中心發(fā)表公報說，該中心的超級計算機JUGENE成功模擬了42位的量子計算機，在此基礎上研究人員首次能夠仔細地研究高位數(shù)量子計算機系統(tǒng)的特性。但是，利用傳統(tǒng)計算機不可能模擬超過64量子位的量子計算機。也可以說，利用經典手段模擬量子存在理論瓶頸，也不可能利用現(xiàn)有的經典計算資源解決目前碰到的未來量子計算機有可能解決的某些困難問題。

基于量子計算和量子計算機巨大的并行計算性能及其在軍事信息對抗方面的應用前景，許多國家投入大量人力和物力開展相關技術探索。毫無疑問，率先在相關領域取得實質性突破將有助于占領信息對抗的制高點。

3 應用前景

3.1 QKD在完全保密通信中的應用

理論上，QKD具有與計算復雜度無關的物理安全性，是可以對抗量子計算攻擊的新型的密鑰協(xié)商手段。在中長期內，QKD有可能成為通信保密的重要技術手段。

如果采用理想的QKD系統(tǒng)方案，通信雙方利用QKD系統(tǒng)可以協(xié)商出任意長度的隨機比特序列;把這個隨機比特序列作為一次一密亂碼本使用進行保密通信，可以實現(xiàn)完全保密的通信?；谶@種理想的應用愿景，QKD技術得到了快速發(fā)展，并期望它在解決現(xiàn)有密碼系統(tǒng)密鑰人工分發(fā)和量子計算環(huán)境下密碼通信的安全性問題方面發(fā)揮特殊作用;在構建新型的專用的密鑰協(xié)商網絡方面發(fā)揮重要作用。

但是，所有這些應用的前提是QKD必須能夠提供理論上所賦予的物理安全性，并且有效提高系統(tǒng)的抗干擾性能、通信距離和速率等應用瓶頸問題[15]。另外，為了促進QKD的實際應用，短期內解決QKD與傳統(tǒng)軍事通信系統(tǒng)的融合問題尤為重要。

3.2 量子傳感在精密探測和精確導航方面的應用

初步研究表明，量子光纖傳感器(比如量子光纖水聽器、量子光纖陀螺儀等)的靈敏度比傳統(tǒng)光纖傳感器的靈敏度高幾個數(shù)量級，在提高對敵艦艇的探測靈敏度和探測距離方面、在提高導航和制導系統(tǒng)的精確度方面等具有良好的軍事應用前景。

開發(fā)具有更高探測精確度和靈敏度的高性能量子光纖傳感器對提高國家信息技術水平、增強國防實力等有著舉足輕重的作用，提高光纖水聽器的探測精確度和靈敏度、提高武器裝備導航定位的精確度和靈敏度是新一代信息對抗武器研究的重要發(fā)展方向。

3.3 量子計算在密碼破譯方面的應用

量子 Shor分解算法的時間復雜度為 O[n2(logn)(loglogn)]，其隨輸入大數(shù)的比特數(shù)增加呈多項式級增長。這個算法對諸如RSA和ECC等非對稱密碼算法具有致命性的威脅。量子Grover搜索算法的復雜度是，它對對稱密碼算法構成巨大威脅。比如量子計算機的性能提高一倍將迫使傳統(tǒng)對稱密碼算法的密鑰長度至少增加一倍;如果量子計算機的性能提高一倍的周期是2年，那么密碼算法的密鑰長度每2年都要增加一倍，這對于許多保密通信系統(tǒng)來說是不可接受的，因而這可能迫使傳統(tǒng)對稱密碼算法體制的變革。

由于對量子計算的研究還處于初級階段，無法排除存在更好的量子計算方法的可能性，因此，研究基于量子計算方法的密碼破譯技術在獲取情報方面具有十分重要的軍事價值。但是，量子計算也可能被敵方用于攻擊我軍的密碼通信系統(tǒng)，因此，同時研究抗量子計算的新型密碼算法體系對于保密通信來說也至關重要。

4 發(fā)展趨勢

一方面，由于信息安全在信息社會中發(fā)揮著越來越重要的作用，新型的信息攻防技術將受到越來越多的關注，毫無疑問，具有物理安全性的QKD技術的應用研究、具有高度并行性的量子計算研究將是下一階段新技術研究的熱點。當然，物聯(lián)網、云計算、網絡戰(zhàn)等環(huán)境下的信息保護技術研究依然是下一階段應用研究的熱點和重點，QIT能否應用于這些領域也值得深入探討。

另一方面，傳統(tǒng)高、精、尖技術發(fā)展瓶頸問題的解決也需要新型的技術途徑，量子傳感器技術在突破測量精確度、探測靈敏度和準確度等方面將發(fā)揮重要作用。由于信道損耗和收發(fā)系統(tǒng)的效率不對量子傳感器的測量精度和靈敏度造成重大影響。因此，量子傳感器具有較好的應用前景，但是提出新型的量子傳感器的實現(xiàn)方法和途徑具有較大的難度，加大投入對于相關技術發(fā)展至關重要。

總之，近十年，量子信息技術學科發(fā)展迅速，方興未艾。QIT的新型應用途徑值得深入發(fā)掘。毋庸置疑，QIT正以超常的速度從神秘殿堂走向人們的生活，并將帶來不斷的新奇技術體驗。積極開展QIT的基礎和應用探索研究對于搶占信息對抗制高點至關重要。

[1]H BENNETT C，BRASSARD G.Quantum Cryptography:Public Key Distribution and Coin tossing[C]//International Conference on Computers，Systems＆ Signal Processing，Bagalore，India，1984:175-179.

[2]MICHAEL ANIELSEN，ISAAC L CHUANG.量子計算和量子信息[M].北京:清華大學出版社，2004.

[3]李承祖陳平形梁林梅.量子計算機研究[M].北京:科學出版社，2011.

[4]GERNOT ALBER.Quantum Information[M].北京:世界圖書出版公司，2007.

[5]GISIN N，THEW R T.Quantum Communication Technology[J].Electronics Letters 2010，46(14):965-967.

[6]ELLIOTT C.Building the Quantum Network[J].New J Phys，2002，4(1):46.

[7]PEEV M，PACHER C，ALLEAUME R，et al.The SECOQC Quantum Key Distribution Network in Vienna[J].New Journal of Physics，2009，11(7):075001.

[8]CHEN W，HAN Z F，ZHANG T，et al.Field Experimental“Star Type”Metropolitan Quantum Key Distribution Network[J].IEEE Photonics Technology Letters，2009，21(9):575-577.

[9]GISIN N，RIBORDY G G，TITTEL W，et al.Quantum Cryptography[J].Reviews of Modern Physics 2002，74(1):145-195.

[10]KAPALE K T，et al.Quantum Interferometric Sensors[J].Concepts of Physics.2005，II:225-240.

[11]PENG C Z，YANG T，BAO X H，et al.Experimental Freespace Distribution of Entangled Photon Pairs Over 13 Km Towards Satellite-based Global Quantum Communication[J].Phys.Rev.Lett.2005，94(15):150501.

[12]THOMAS G.GIALLORENZI，JOSEPH A.BUCARO，et al.Optical Fiber Sensor Technology[J].IEEE Journal of Quantum Electronics，1982，QE-18(4):472-511.

[13]范茂軍.傳感器技術——信息化武器裝備的神經元[M].北京:國防工業(yè)出版社，2008.

[14]廖延彪 黎敏 張敏，等.光纖傳感技術與應用[M].北京:清華大學出版社，2009.

[15]劉義銘黃益盛王運兵，等.量子通信的特色和局限性分析[J].信息安全與通信保密，2011(9):54-56.