量子通信

簡介

　　量子通信又稱量子隱形傳送（Quantum Teleportation），“teleportation”一詞是指一種無影無蹤的傳送過程。量子通信是由量子態(tài)攜帶信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子糾纏原理實現(xiàn)保密通信過程。量子通信是一種全新通信方式，它傳輸?shù)牟辉偈墙?jīng)典信息而是量子態(tài)攜帶的量子信息，是未來量子通信網(wǎng)絡(luò)的核心要素。
　　按照常理，信息的傳播需要載體，而量子通信是不需要載體的信息傳遞。從物理學(xué)角度，可以這樣來想象隱形傳送的過程：先提取原物的所有信息，然后將這些信息傳送到接收地點，接收者依據(jù)這些信息，選取與構(gòu)成原物完全相同的基本單元（如：原子），制造出原物完美的復(fù)制品。
　　量子隱形傳送所傳輸?shù)氖橇孔有畔?，它是量子通信最基本的過程。人們基于這個過程提出了實現(xiàn)量子因特網(wǎng)的構(gòu)想。量子因特網(wǎng)是用量子通道來聯(lián)絡(luò)許多量子處理器，它可以同時實現(xiàn)量子信息的傳輸和處理。相比于經(jīng)典因特網(wǎng)，量子因特網(wǎng)具有安全保密特性，可實現(xiàn)多端的分布計算，有效地降低通信復(fù)雜度等一系列優(yōu)點。
　　量子通信是經(jīng)典信息論和量子力學(xué)相結(jié)合的一門新興交叉學(xué)科，與成熟的通信技術(shù)相比，量子通信具有巨大的優(yōu)越性，具有保密性強、大容量、遠距離傳輸?shù)忍攸c，是21世紀國際量子物理和信息科學(xué)的研究熱點。
 

歷史

　　1982年，法國物理學(xué)家艾倫·愛斯派克特（Alain Aspect）和他的小組成功地完成了一項實驗，證實了微觀粒子“量子糾纏”（quantum entanglement）的現(xiàn)象確實存在，這一結(jié)論對西方科學(xué)的主流世界觀產(chǎn)生了重大的沖擊。 從笛卡兒、伽利略、牛頓以來，西方科學(xué)界主流思想認為，宇宙的組成部份相互獨立，它們之間的相互作用受到時空的限制（即是局域化的）。 量子糾纏證實了愛因斯坦的幽靈——超距作用（spooky action in a distance）的存在，它證實了任何兩種物質(zhì)之間，不管距離多遠，都有可能相互影響，不受四維時空的約束，是非局域的（nonlocal），宇宙在冥冥之中存在深層次的內(nèi)在聯(lián)系。
　　量子通信實驗室在量子糾纏理論的基礎(chǔ)上，1993年，美國科學(xué)家C.H.Bennett提出了量子通信（Quantum Teleportation）的概念。量子通信概念的提出，使愛因斯坦的“幽靈（Spooky）” ——量子糾纏效益開始真正發(fā)揮其真正的威力。
　　1993年，在貝內(nèi)特提出量子通信概念以后，6位來自不同國家的科學(xué)家，基于量子糾纏理論，提出了利用經(jīng)典與量子相結(jié)合的方法實現(xiàn)量子隱形傳送的方案，即將某個粒子的未知量子態(tài)傳送到另一個地方，把另一個粒子制備到該量子態(tài)上，而原來的粒子仍留在原處，這就是量子通信最初的基本方案。量子隱形傳態(tài)不僅在物理學(xué)領(lǐng)域?qū)θ藗冋J識與揭示自然界的神秘規(guī)律具有重要意義，而且可以用量子態(tài)作為信息載體，通過量子態(tài)的傳送完成大容量信息的傳輸，實現(xiàn)原則上不可破譯的量子保密通信。
　　1997年，在奧地利留學(xué)的中國青年學(xué)者潘建偉與荷蘭學(xué)者波密斯特等人合作，首次實現(xiàn)了未知量子態(tài)的遠程傳輸。這是國際上首次在實驗上成功地將一個量子態(tài)從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實驗中傳輸?shù)闹皇潜磉_量子信息的“狀態(tài)”，作為信息載體的光子本身并不被傳輸。
　　為提高通信質(zhì)量，科學(xué)家們還在減少干擾源方面努力。2006年，歐洲科學(xué)家讓光子在自由空間而不是光纖中完成了一次量子通信過程。通信在相距144公里的西班牙加納利群島的La Palma島和Tenerife島之間根據(jù)E91協(xié)議展開，2007年6月，又根據(jù)BB84協(xié)議將實驗重復(fù)了一次，以檢測通過衛(wèi)星進行量子通信的可能性，研究中通過創(chuàng)下了通信距離達144公里的最遠紀錄。而要達到更遠的距離很難，因為大氣容易干擾光子脆弱的量子狀態(tài)。而巴伯利小組想出了解決辦法，通過人造衛(wèi)星來發(fā)送光子。由于大氣隨高度的增加而日趨稀薄，在衛(wèi)星上旅行數(shù)千公里只相當于在地面上旅行8公里。
　　2008年，一支意大利和奧地利科學(xué)家小組宣布，他們首次識別出從地球上空1500公里處的人造衛(wèi)星上反彈回地球的單批光子，實現(xiàn)了太空絕密傳輸量子信息的重大突破。這一突破標明在太空和地球之間可以構(gòu)建安全的量子通道來傳輸信息，用于全球通信。
　　經(jīng)過發(fā)展，到2012年，量子通信這門學(xué)科已逐步從理論走向?qū)嶒灒⑾驅(qū)嵱没l(fā)展，主要涉及的領(lǐng)域包括：量子密碼通信、量子遠程傳態(tài)和量子密集編碼等。
 

基本原理

　　量子通信是利用了光子等粒子的量子糾纏原理。量子信息學(xué)告訴人們，在微觀世界里，不論兩個粒子間距離多遠，一個粒子的變化都會影響另一個粒子的現(xiàn)象叫量子糾纏，這一現(xiàn)象被愛因斯坦稱為“詭異的互動性”?？茖W(xué)家認為，這是一種“神奇的力量”，可成為具有超級計算能力的量子計算機和量子保密系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
　　量子態(tài)的隱形傳輸在沒有任何載體的攜帶下，而只是把一對攜帶信息的糾纏光子分開來，將其一的光子發(fā)送到特定的位置，就能準確推測出另一個光子的狀態(tài)，從而達到“超時空穿越”的通信方式和“隔空取物”的運輸方式。
　　量子態(tài)隱形傳輸就是遠距離傳輸，是在無比奇特的量子世界里，量子呈現(xiàn)的“糾纏”運動狀態(tài)。該狀態(tài)的光子如同有“心電感應(yīng)”，能使需要傳輸?shù)牧孔討B(tài)“超時空穿越”，在一個地方神秘消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方瞬間出現(xiàn)。雖然一些媒體解讀“量子通信”時，常常轉(zhuǎn)載使用了“超時空傳送”這個容易引起誤解的詞。事實上，糾纏的兩個粒子盡管可以在很遠的距離上一個影響另一個，但它們無法傳遞任何信息。以密鑰為例，當雙方共享同一套密鑰時，并沒有發(fā)生信息的傳遞 雙方無法利用密鑰做任何事情，直到加密的文本傳來，密鑰才有意義 傳送加密文本的速度仍然不可能超過光速。相對論沒有失效。量子通信和傳統(tǒng)通信的唯一區(qū)別在于，量子通信采用了一種新的密鑰生成方式，而且密鑰不可能被第三方獲取。量子通信并不神奇。
　　在建立量子態(tài)隱形傳輸?shù)幕A(chǔ)上，科學(xué)家又疊加上了“后選擇”算法，完成了一種新模型（P-CTCs）。“后選擇”算法能夠確保某一特定類型的量子信息態(tài)進行隱形傳輸，而將其他量子信息過濾掉。只有經(jīng)“后選擇”法認定傳輸前后能自相一致的量子信息態(tài)，才有資格得到這種“通行證”，進行隱形傳輸。這種情況下，時間旅行成立的先決條件就是一個自治、不產(chǎn)生矛盾的環(huán)境狀態(tài)。它允許回到過去時空，但禁止一切可能在未來導(dǎo)致悖論產(chǎn)生的行為。
 

系統(tǒng)組成

　　量子通信系統(tǒng)的基本部件包括量子態(tài)發(fā)生器、量子通道和量子測量裝置。
　　按其所傳輸?shù)男畔⑹墙?jīng)典還是量子而分為兩類：前者主要用于量子密鑰的傳輸，后者則可用于量子隱形傳態(tài)和量子糾纏的分發(fā)。
 

存在問題

　　有人指出量子密碼可能并非想象中的牢不可破。在2008年，就有瑞典林雪平大學(xué)學(xué)者拉森和挪威科技大學(xué)學(xué)者馬卡羅夫分別指出量子通信體系的漏洞。雖然這些并不是量子密碼原理的不完滿，而是系統(tǒng)的不適應(yīng)，卻也讓人們對未來的量子通信體系留有一些不確定。
　　而量子力學(xué)本身留給人們的不確定性更多。量子糾纏中超越光速的超距作用因違背光速不變原理而讓愛因斯坦認為難以置信，而量子糾纏的發(fā)生機理至今（2012年）仍是未解之謎。路甬祥把量子力學(xué)與廣義相對論之間的不相容問題列為當代科學(xué)所面臨的四大難題之首。
 

應(yīng)用與用途

　　量子通信不僅在軍事、國防等領(lǐng)域具有重要的作用，而且會極大地促進國民經(jīng)濟的發(fā)展。自1993年美國IBM的研究人員提出量子通信理論，美國國家科學(xué)基金會、國防高級研究計劃局都對此項目進行了深入的研究。瑞士、法國等歐美國家也成立公司進行量子通信的商業(yè)研發(fā)。
　　歐盟在1999年集中國際力量致力于量子通信的研究，研究項目多達12個。
　　日本郵政省把量子通信作為21世紀的戰(zhàn)略項目。
　　在國家安全、金融等信息安全領(lǐng)域，量子保密通信技術(shù)也開始發(fā)揮作用。2004年奧地利銀行作為世界上首個采用量子通信的銀行，利用該技術(shù)將一張重要支票從市長處傳至銀行。2007年瑞士全國大選的選票結(jié)果傳送過程也采用了量子保密通信技術(shù)，以保證結(jié)果的絕對安全。
　　2009年，量子政務(wù)網(wǎng)、量子通信網(wǎng)相繼在中國建成。這兩個可投入實際使用的量子通信網(wǎng)絡(luò)，標志著原本停留在紙面和實驗室的量子保密通信，已經(jīng)開始在人們的日常生活中應(yīng)用。
　　2011年，中國科學(xué)院啟動了空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項，計劃在2015年左右發(fā)射全球首顆“量子通訊衛(wèi)星”。中國于2011年10月在青海湖首次成功實現(xiàn)了百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)。