李賡

（長春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，吉林 長春 100732）

0 引言

量子通信和經(jīng)典通信一樣，存在著一定的無條件可靠、高效、容量大等優(yōu)點(diǎn)。量子通信基本思路是將原物的信號分為經(jīng)典信息和量子信號二部分，并且分別由經(jīng)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(shù)包括量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)。量子通信技術(shù)是指利用了波粒二象性基本原理實(shí)現(xiàn)的一類通信技術(shù)，因?yàn)榱孔油ㄐ诺南⑤d體一般都是量子態(tài)，而其運(yùn)動(dòng)、傳播和相互作用都要遵循發(fā)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(shù)仍可保證通信雙方安全的交換信息。圖1為量子通信發(fā)展?fàn)顩r。現(xiàn)在，量子通信技術(shù)已應(yīng)用在政府[1]、軍隊(duì)、國防工業(yè)、金融機(jī)構(gòu)以及信息安全等領(lǐng)域中，均有著重要的運(yùn)用[2]。

圖1 量子信息傳輸?shù)难芯糠懂?/p>

1 量子技術(shù)領(lǐng)域分類

1.1 量子密鑰分發(fā)

現(xiàn)實(shí)中，量子密鑰分發(fā)是根據(jù)量子力學(xué)的一些基本原理來保證系統(tǒng)的安全。為實(shí)現(xiàn)量子保密通信，量子密鑰分發(fā)協(xié)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(fā)，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(guān)于密鑰的相關(guān)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(wèi)星信號被劫持，或通信設(shè)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(fā)

量子密鑰分發(fā)技術(shù)的商業(yè)化得到了銀行的大力支持，2017年3月，中國農(nóng)業(yè)銀行啟動(dòng)了量子通信試點(diǎn)應(yīng)用項(xiàng)目，2018年2月完成農(nóng)業(yè)銀行量子通信網(wǎng)絡(luò)的搭建，6月實(shí)現(xiàn)了試點(diǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)在量子加密通道上的傳輸，提高了試點(diǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的高可用性。量子通信技術(shù)已在銀行安全領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，助力農(nóng)業(yè)銀行網(wǎng)絡(luò)信息安全水平的進(jìn)一步提升?；丈蹄y行安徽分公司也順利運(yùn)用了量子通信技術(shù)，完成了該行與美國國家金融服務(wù)認(rèn)證中心(CFCA)之間對數(shù)字認(rèn)證信息系統(tǒng)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(yīng)用，上海陸家嘴量子金融網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了同城應(yīng)用，人民銀行人民幣跨境收納系統(tǒng)的量子應(yīng)用也在建設(shè)。另外，根據(jù)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(gè)全新的量子密鑰應(yīng)用場景：將量子密鑰解碼到業(yè)務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用層。清算總管理中心已經(jīng)開發(fā)和建立了量子密鑰分配體系。目前，支付消息發(fā)送平臺(tái)通過通用指揮中心通信軟件(PMTS-N2N)完成與量子密鑰系統(tǒng)的連接，并從量子密鑰系統(tǒng)中提取量子密鑰，對消息進(jìn)行加密。

1.2 量子隱形傳態(tài)

量子隱形傳輸是指量子狀態(tài)從一個(gè)地方傳播到另一個(gè)地方的“無實(shí)體”轉(zhuǎn)換，傳播的對象是量子比特，是遠(yuǎn)距離量子通信和分布式量子計(jì)算的核心功能單元[4]。1997年，奧地利Zeilinger組織率先實(shí)現(xiàn)了對未知量子隱形的外傳態(tài)遠(yuǎn)程通信；2011年，在世界上第一個(gè)完成了百千米量級的自由空氣量子隱形傳態(tài)與纏繞分配，并解答了地面通信運(yùn)載火箭的中長距離信號傳播問題；2018年，與歐盟量子旗艦計(jì)劃合作建立歐洲量子互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(QIA)。2019年，南京大學(xué)報(bào)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(shí)驗(yàn)和觀測試驗(yàn)，無人駕駛飛行器攜帶光學(xué)發(fā)射機(jī)載荷，完成了與地面接收站點(diǎn)間200m間距的空氣量子纏繞分配測量[5]（圖3）。2020年，中國科學(xué)院郭光燦博士及其隊(duì)伍用六光子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，完成了最有效的高維量子隱形傳態(tài)。同年，美國科研團(tuán)體也率先在44km的距離上實(shí)現(xiàn)了保真度超過90%的量子隱身傳態(tài)。不過，量子隱身傳態(tài)研究目前仍大多局限于不同平臺(tái)和環(huán)境條件下的試驗(yàn)研究中，離真正實(shí)用還有一定距離。

圖3 基于無人機(jī)的光學(xué)中繼量子糾纏分發(fā)系統(tǒng)示意圖

1.3 量子通信網(wǎng)絡(luò)

第一次多用戶量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)是Towsend等人于1997年進(jìn)行的，該實(shí)驗(yàn)以量子通信終端為網(wǎng)絡(luò)控制器，通過光共分器實(shí)現(xiàn)了多用戶密鑰分配。2008年，歐洲SECOQC量子通信網(wǎng)絡(luò)成功演示運(yùn)行。2009年，瑞士的日內(nèi)瓦國際量子通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)完工建造并在隨后工作了大約一年半的時(shí)間[6]。至2019年初，國家電網(wǎng)公司已通過該網(wǎng)，建設(shè)了超過2600km的量子密鑰分發(fā)信道，并完成了電量通信資料數(shù)據(jù)加密傳輸，第一次在工程上成功試驗(yàn)了星地量子通信開展現(xiàn)實(shí)服務(wù)的可能性?，F(xiàn)今，在“墨子號”量子通信實(shí)驗(yàn)衛(wèi)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，建立了全球上首個(gè)天下合一的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)雛形?，F(xiàn)在，“京瀘干線”光纖網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開始給附近的居民提供應(yīng)用。上海交通大學(xué)與江西師范大學(xué)的合作團(tuán)隊(duì)采用了量子安全直接通信原理，首次實(shí)現(xiàn)了在互聯(lián)網(wǎng)中十五個(gè)應(yīng)用間的安全通信，該實(shí)驗(yàn)為未來的通信網(wǎng)絡(luò)提供了重要的技術(shù)支持。

2 量子通信技術(shù)發(fā)展歷程

量子通信的全稱是“量子加密通信”，以量子狀態(tài)傳輸實(shí)現(xiàn)為基礎(chǔ)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，量子密碼通信是其中之一。由于量子通信系統(tǒng)利用了量子的疊加態(tài)機(jī)理，密鑰全部隨機(jī)，無法檢出，因此，與經(jīng)典通信相比，安全系數(shù)可以提高。量子通信協(xié)議技術(shù)是目前實(shí)現(xiàn)全球量子空間通信的重要技術(shù)基礎(chǔ)。目前，已經(jīng)發(fā)展出各種通信協(xié)議，如糾纏光子信息的量子隱形傳態(tài)通信協(xié)定、量子密集編碼通信協(xié)定，采用單光子信息的BB84量子通信協(xié)議、B92協(xié)議和六態(tài)量子通信協(xié)議等[7]，以及使用了連續(xù)變量函數(shù)信息的連續(xù)變量量子隱形傳態(tài)接口平臺(tái)、連續(xù)變量量子密集編碼接口平臺(tái)等。2010年，由我國科大與清華學(xué)院聯(lián)合的自由空氣量子通信試驗(yàn)成功，使通信距離由幾百米的紀(jì)錄進(jìn)一步突破到16km。2012年，中國第一次順利進(jìn)行了百千米量級的自主空間量子的隱形傳態(tài)和糾纏傳播，為星地間的量子通信關(guān)鍵技術(shù)研制提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[8]。2013年，中國科學(xué)技術(shù)研究所完成了星地密鑰分配實(shí)驗(yàn)[9]。2016年8月16日“墨子號”成功起飛，在當(dāng)今世界上領(lǐng)先完成了月球與地底內(nèi)部的量子通信，并形成了天地合一的量子保密通信和科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；分別于2017年6月、8月，“墨子號”運(yùn)載火箭分別在全球上率先成功進(jìn)行千公里級運(yùn)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(shù)據(jù)傳輸。2017年，當(dāng)今世界上第一條無線量子保密通信系統(tǒng)“京瀘干線”建成。2020年，中國“墨子號”無線量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)探測衛(wèi)星在境內(nèi)國際上率先完成了基于量子糾纏技術(shù)的千公里毫秒級無線量子密鑰及時(shí)分發(fā)，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(gè)新的數(shù)量級?？梢哉f，量子通信技術(shù)的發(fā)展速度非?？欤瑥闹袊怯蛲ㄐ诺匠请H、陸地到太空衛(wèi)星，量子通信的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)落地在不斷探索取得新的進(jìn)展。

3 量子通信技術(shù)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(shí)際上可以控制的電激發(fā)的單光子源尚未成功研究，制約當(dāng)前技術(shù)水平的因素在量子點(diǎn)光源的規(guī)模、形態(tài)一致性、光的發(fā)光特性、光譜的單色等方面存在諸多困難。

3.2 光分存儲(chǔ)器

目前，光量子通信存儲(chǔ)器等關(guān)鍵技術(shù)始終是整個(gè)量子通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的難題，現(xiàn)今還處于理論研發(fā)和實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證的階段，暫時(shí)還無法應(yīng)用到通信技術(shù)中。

3.3 量子中繼技術(shù)

如圖4所示，量子中繼的特點(diǎn)是，相距較遠(yuǎn)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的相互糾纏能夠透過兩個(gè)距離較近的糾纏態(tài)進(jìn)行糾纏轉(zhuǎn)換而實(shí)現(xiàn)。量子中繼技術(shù)在研究領(lǐng)域方面已提供了多種方式，而在工程實(shí)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(shù)瓶頸，通信距離有限。

圖4 量子中繼

3.4 量子通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性

由于技術(shù)設(shè)備等問題，可能受到攻擊導(dǎo)致信息被竊取，系統(tǒng)還有提升空間[11]。

3.5 標(biāo)準(zhǔn)化難度大

標(biāo)準(zhǔn)化是將量子通信由實(shí)用化走向產(chǎn)業(yè)化的重要步驟，但目前量子通信涉及眾多新技術(shù)，從理論到實(shí)際應(yīng)用有太多未知因素，這給量子通信的標(biāo)準(zhǔn)化帶來了諸多困難[12]。

4 量子通信技術(shù)的前景

當(dāng)前中國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量子通信在電力、國家安全、金融等方面的應(yīng)用，還將延伸到互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、供應(yīng)鏈及5G[13]等方面。從長遠(yuǎn)目標(biāo)分析，隨著我國新推出的量子衛(wèi)星科技、量子中繼、量子計(jì)算技術(shù)、量子傳感器等新興技術(shù)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)與突破，中國通過建立量子通訊網(wǎng)將進(jìn)行分布式網(wǎng)絡(luò)的量子計(jì)算機(jī)與量子傳感器聯(lián)接，還將逐漸形成包括量子云計(jì)算技術(shù)、量子傳感網(wǎng)等許多嶄新的科技應(yīng)用。對量子通信過程來說，最易于建立和實(shí)現(xiàn)的信息技術(shù)便是光纖量子信道，而通過光纜科學(xué)技術(shù)構(gòu)建出來的量子信道則具備了傳輸平穩(wěn)，容易實(shí)現(xiàn)等許多優(yōu)勢。與采用光纜科學(xué)技術(shù)的量子通信技術(shù)不同，其是采用獨(dú)立空間結(jié)構(gòu)的量子通信技術(shù)。圖5表示了一種可以通過與地球衛(wèi)星平行中轉(zhuǎn)的全球量子高速通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)解決方案，利用這個(gè)實(shí)現(xiàn)方法，就能夠在星球上的任何兩點(diǎn)間形成高速量子互聯(lián)網(wǎng)通道，實(shí)現(xiàn)全球覆蓋乃至全球的高速量子網(wǎng)絡(luò)通信?；谌蛐堑亓孔涌臻g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(wǎng)絡(luò)服務(wù)的逐步建立，將導(dǎo)致全球的通訊網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生巨大的變革，在全球范圍內(nèi)所有必須嚴(yán)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(dá)前所未有的高度。量子通信未來將擴(kuò)展到航天領(lǐng)域[14]、深海領(lǐng)域[15-16]等特殊應(yīng)用領(lǐng)域。

圖5 利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離度量子通信實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)語

本文對量子通信的原理、應(yīng)用和前景做了簡單介紹。隨著現(xiàn)代科技越來越成熟，量子通信技術(shù)也在不斷的進(jìn)步發(fā)展和完善之中，其在金融業(yè)已經(jīng)開始了應(yīng)用，并且正在走入更多實(shí)際應(yīng)用場景。當(dāng)前，該技術(shù)已經(jīng)成為未來國家科技發(fā)展的重要領(lǐng)域之一，具備著巨大的技術(shù)潛力和廣闊的應(yīng)用市場，但是仍面臨著許多的技術(shù)難題，需要研究人員不斷努力攻克。同時(shí)該技術(shù)未來更多是聚焦在量子通信的實(shí)際應(yīng)用上，加快量子技術(shù)與各行業(yè)深度融合，讓量子通信進(jìn)入更多全新領(lǐng)域，發(fā)揮其應(yīng)有的重要作用。