量子通信:一種通訊方式-中文百科頻道

基本簡介

量子通信又稱量子隐形傳送（Quantum Teleportation），“teleportation”一詞是指一種無影無蹤的傳送過程。量子通信是由量子态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保密通信過程。

量子通信是一種全新通信方式，它傳輸的不再是經典信息而是量子态攜帶的量子信息，是未來量子通信網絡的核心要素。

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。從物理學角度，可以這樣來想象隐形傳送的過程：先提取原物的所有信息，然後将這些信息傳送到接收地點，接收者依據這些信息，選取與構成原物完全相同的基本單元（如：原子），制造出原物完美的複制品。

量子隐形傳送所傳輸的是量子信息，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量子因特網的構想。量子因特網是用量子通道來聯絡許多量子處理器，它可以同時實現量子信息的傳輸和處理。相比于經典因特網，量子因特網具有安全保密特性，可實現多端的分布計算，有效地降低通信複雜度等一系列優點。

量子通信是經典信息論和量子力學相結合的一門新興交叉學科，與成熟的通信技術相比，量子通信具有巨大的優越性，具有保密性強、大容量、遠距離傳輸等特點，是21世紀國際量子物理和信息科學的研究熱點。

研究曆史

1982年，法國物理學家艾倫·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）的現象确實存在，這一結論對西方科學的主流世界觀産生了重大的沖擊。從笛卡兒、伽利略、牛頓以來，西方科學界主流思想認為，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内在聯系。

在量子糾纏理論的基礎上，1993年，美國科學家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揮其真正的威力。

1993年，在貝内特提出量子通信概念以後，6位來自不同國家的科學家，基于量子糾纏理論，提出了利用經典與量子相結合的方法實現量子隐形傳送的方案，即将某個粒子的未知量子态傳送到另一個地方，把另一個粒子制備到該量子态上，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。量子隐形傳态不僅在物理學領域對人們認識與揭示自然界的神秘規律具有重要意義，而且可以用量子态作為信息載體，通過量子态的傳送完成大容量信息的傳輸，實現原則上不可破譯的量子保密通信。

1997年，在奧地利留學的中國青年學者潘建偉與荷蘭學者波密斯特等人合作，首次實現了未知量子态的遠程傳輸。這是國際上首次在實驗上成功地将一個量子态從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實驗中傳輸的隻是表達量子信息的“狀态”，作為信息載體的光子本身并不被傳輸。

2005年，中國科技大學合肥微尺度物質科學國家實驗室潘建偉教授和他的同事楊濤、彭承志等通過“自由空間糾纏光子的分發”實驗，在國際上首次證明了糾纏光子在穿透等效于整個大氣層厚度的地面大氣後，糾纏的特性仍然能夠保持，并可應用于高效、安全的量子通信。4月22日出版的國際物理學權威期刊《物理評論快報》發表了他們題為《13公裡自由空間糾纏光子分發：朝向基于人造衛星的全球化量子通信》的研究論文。《物理評論快報》的審稿人稱，這一成果“有重大的意義”、“是一項相當了不起的成就”。

為提高通信質量，科學家們還在減少幹擾源方面努力。2006年，歐洲科學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公裡的西班牙加納利群島的La Palma島和Tenerife島之間根據E91協議展開，2007年6月，又根據BB84協議将實驗重複了一次，以檢測通過衛星進行量子通信的可能性，研究中通過創下了通信距離達144公裡的最遠紀錄。而要達到更遠的距離很難，因為大氣容易幹擾光子脆弱的量子狀态。而巴伯利小組想出了解決辦法，通過人造衛星來發送光子。由于大氣随高度的增加而日趨稀薄，在衛星上旅行數千公裡隻相當于在地面上旅行8公裡。

2008年，一支意大利和奧地利科學家小組宣布，他們首次識别出從地球上空1500公裡處的人造衛星上反彈回地球的單批光子，實現了太空絕密傳輸量子信息的重大突破。這一突破标明在太空和地球之間可以構建安全的量子通道來傳輸信息，用于全球通信。

經過發展，到2012年，量子通信這門學科已逐步從理論走向實驗，并向實用化發展，主要涉及的領域包括：量子密碼通信、量子遠程傳态和量子密集編碼等。

基本原理

量子通信是利用了光子等粒子的量子糾纏原理。量子信息學告訴人們，在微觀世界裡，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象叫量子糾纏，這一現象被愛因斯坦稱為“詭異的互動性”。科學家認為，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的基礎。

量子态的隐形傳輸在沒有任何載體的攜帶下，而隻是把一對攜帶信息的糾纏光子分開來，将其一的光子發送到特定的位置，就能準确推測出另一個光子的狀态，從而達到“超時空穿越”的通信方式和“隔空取物”的運輸方式。

量子态隐形傳輸就是遠距離傳輸，是在無比奇特的量子世界裡，量子呈現的“糾纏”運動狀态。該狀态的光子如同有“心電感應”，能使需要傳輸的量子态“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。雖然一些媒體解讀“量子通信”時，常常轉載使用了“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。量子通信和傳統通信的唯一區别在于，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。

在建立量子态隐形傳輸的基礎上，科學家又疊加上了“後選擇”算法，完成了一種新模型（P-CTCs）。“後選擇”算法能夠确保某一特定類型的量子信息态進行隐形傳輸，而将其他量子信息過濾掉。隻有經“後選擇”法認定傳輸前後能自相一緻的量子信息态，才有資格得到這種“通行證”，進行隐形傳輸。這種情況下，時間旅行成立的先決條件就是一個自治、不産生矛盾的環境狀态。它允許回到過去時空，但禁止一切可能在未來導緻悖論産生的行為。

詳細内容

量子通信系統的基本部件包括量子态發生器、量子通道和量子測量裝置。按其所傳輸的信息是經典還是量子而分為兩類。前者主要用于量子密鑰的傳輸，後者則可用于量子隐形傳态和量子糾纏的分發。所謂隐形傳送指的是脫離實物的一種“完全”的信息傳送。從物理學角度，可以這樣來想象隐形傳送的過程：先提取原物的所有信息，然後将這些信息傳送到接收地點，接收者依據這些信息，選取與構成原物完全相同的基本單元，制造出原物完美的複制品。但是，量子力學的不确定性原理不允許精确地提取原物的全部信息，這個複制品不可能是完美的。因此長期以來，隐形傳送不過是一種幻想而已。

發展沿革

1993年，6位來自不同國家的科學家，提出了利用經典與量子相結合的方法實現量子隐形傳态的方案：将某個粒子的未省量子态傳送到另一個地方，把另一個粒子制備到該量子态上，而原來的粒子仍留在原地。其基本思想是：将原物的信息分成經典信息與量子信息兩部分，它們分别經由經典通道與量子通道傳送給接收者。經典信息是發送者對原物質進行某一種測量而獲得的，量子信息是發送者在測量裡未提取的其餘信息；接收者在獲得這兩種信息之後，就可以制備出原物量子态完全複制品。這個過程中傳送的僅僅是原物質的量子态，而不是原物本身。發送者甚至可以對這一個量子态一無所知，而接收者是将别的粒子處于原物的量子态上。

在這個方案中，糾纏态的非定域性起着至關重要的作用。量子力學是非定域的理論，這一點已被違背貝爾不等式的實驗結果所證實，因此，量子力學展現出許多反直觀的效應。在量子力學中能夠以這樣的方式制備兩個粒子态，在它們之間的關聯不能被經典地解釋，這樣的态稱為糾纏态，量子糾纏指的是兩個或多個量子系統之間的非定域非經典的關聯。量子隐形傳态不僅在物理學領域對人們認識與揭示自然界的神秘規律具有極其重要意義，而且能用量子态作為信息載體，通過量子态的傳送實現大容量信息的傳輸，實現原則上不可破譯的量子保密通信。

1997年，在奧地利留學的中國青年學者潘建偉和荷蘭學者波密斯特等人合作，首次實現了未知量子态的遠程傳輸。這是國際上第一次在實驗上成功地将一個量子态從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實驗中傳輸的隻是表達量子信息的“狀态”，作為信息載體的光子本身并沒有被傳輸。迩來，潘建偉及其合作者在如何提純高品質的量子糾纏态的研究中又取得了新突破。為了進行遠距離的量子态隐形傳輸，往往需要事先讓相距遙遠的兩地共同擁有最大量子糾纏态。但是，由于存在各種不可避免的環境噪聲，量子糾纏态的品質會随着傳送距離的增加而變得越來越差。因此，如何提純高品質的量子糾纏态是此刻量子通信研究中的重要課題。

國際上許多研究小組都在對這一課題進行研究，并提出了一系列量子糾纏态純化的理論方案，但是沒有一個是能用現有技術實現的。迩來潘建偉等人發現了利用現有技術在實驗上是可行的量子糾纏态純化的理論方案，此刻原則上解決了時下在遠距離量子通信中的根本問題。這項研究成果受到國際科學界的高度評價，被稱為“遠距離量子通信研究的一個飛躍”。

2012年，中國科學家潘建偉等人在國際上首次成功實現百公裡量級的自由空間量子隐形傳态和糾纏分發，為發射全球首顆“量子通訊衛星”奠定技術基礎。國際權威學術期刊《自然》雜志8月9日重點介紹了該成果。“在高損耗的地面成功傳輸100公裡，意味着在低損耗的太空傳輸距離将可以達到1000公裡以上，基本上解決量子通訊衛星的遠距離信息傳輸問題。”研究組成員彭承志介紹說，量子通訊衛星核心技術的突破，也表明未來構建全球量子通信網絡具備技術可行性。8月9日，國際權威學術期刊《自然》雜志重點介紹了這一成果，代表其獲得了國際學術界的普遍認可。《自然》雜志稱其“有望成為遠距離量子通信的裡程碑”、“通向全球化量子網絡”，歐洲物理學會網站、美國《科學新聞》雜志等也進行了專題報道。

技術用途

具有傳統通信方式所不具備的絕對安全特性，不但在國家安全、金融等信息安全領域有着重大的應用價值和前景，而且逐漸走進人們的日常生活。

為了讓量子通信從理論走到現實,從上世紀90年代開始,國内外科學家做了大量的研究工作。自1993年美國IBM的研究人員提出量子通信理論以來，美國國家科學基金會和國防高級研究計劃局都對此項目進行了深入的研究，歐盟在1999年集中國際力量緻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世紀的戰略項目。我國從上世紀80年代開始從事量子光學領域的研究，近幾年來，中國科技大學的量子研究小組在量子通信方面取得了突出的成績。

2003年,韓國、中國、加拿大等國學者提出了誘騙态量子密碼理論方案,徹底解決了真實系統和現有技術條件下量子通信的安全速率随距離增加而嚴重下降的問題。

2006年，中國科技大學合肥微尺度物質科學國家實驗室在光纖通信中實現了一種抗幹擾的量子密碼分配方案，保證了長距離光纖量子通信的安全和質量。這一成果日前發表在剛剛出版的國際物理學權威期刊《物理評論快報》上。“非常出色的”、“具有特殊的價值”，是該雜志審稿人對這一成果的評價。

2008年底，潘建偉的科研團隊成功研制了基于誘騙态的光纖量子通信原型系統，在合肥成功組建了世界上首個3節點鍊狀光量子電話網，成為國際上報道的絕對安全的實用化量子通信網絡實驗研究的兩個團隊之一（另一小組為歐洲聯合實驗團隊）。

2009年9月，潘建偉的科研團隊正是在3節點鍊狀光量子電話網的基礎上，建成了世界上首個全通型量子通信網絡，首次實現了實時語音量子保密通信。這一成果在同類産品中位居國際先進水平，标志着中國在城域量子網絡關鍵技術方面已經達到了産業化要求。

全通型量子通信網絡是一個5節點的星型量子通信網絡，克服了量子信号在商用光纖上傳輸的不穩定性是量子保密通信技術實用化的主要技術障礙，首次實現了兩兩用戶間同時進行通信，互不影響。該網絡用戶間的距離可達20公裡，可以覆蓋一個中型城市；容納了互聯互通和可信中繼兩種重要的量子通信組網方式，并實現了上級用戶對下級用戶的通信授權管理。

該成果首次全面展示和檢驗了量子通信系統組網和擴展的能力，标志着大規模可擴展網絡量子通信技術的成熟，将量子通信實用化和産業化進程又向前推進了一大步。據稱，潘建偉團隊将與中國電子科技集團公司第38研究所等機構合作，在合肥市及周邊地區啟動建設一個40節點量子通信網絡示範工程，為量子通信的大規模應用積累工程經驗。

研究突破

據《新科學家》雜志等媒體綜合報道，一支意大利和奧地利科學家小組宣布，他們首次識别出從地球上空1500公裡處的人造衛星上反彈回地球的單批光子，實現了太空絕密傳輸量子信息的重大突破。這一突破标明在太空和地球之間可以構建安全的量子通道來傳輸信息，用于全球通信。此研究成果即将發表在《新物理學雜志》（New Journal of Physics）上。

意大利帕多瓦大學的保羅·維羅來斯和恺莎爾·巴伯利領導此研究小組，成功地利用意大利名為馬泰拉（Matera）激光測距天文台的1.5米望遠鏡向地球上空1500公裡處的日本阿吉沙（Ajisai）人造衛星發射出光子并讓此衛星将這些光子反彈回到了原始出發地。這标志着無法偷聽的量子編碼通信可望通過人造衛星來實現。此消息将會大受全球通信公司和銀行的歡迎。

2007年6月，一個由奧地利、英國、德國研究人員組成的小組在量子通信研究中通過創下了通信距離達144公裡的最遠紀錄。而要達到更遠的距離很難，因為大氣容易幹擾光子脆弱的量子狀态。而巴伯利小組想出了解決辦法，通過人造衛星來發送光子。由于大氣随高度的增加而日趨稀薄，在衛星上旅行數千公裡隻相當于在地面上旅行8公裡。

為證實地面能觀測到從軌道衛星上發送回來的光子，此研究小組從意大利馬泰拉（Matera）激光測距天文台的望遠鏡向阿吉沙（Ajisai）人造衛星發射出一束普通的激光。阿吉沙（Ajisai）人造衛星由318面鏡片組成，從精确的鏡片上反彈回來的單批光子成功地回到了此天文台。

參與此項研究的奧地利維也納的量子光學和量子信息研究所著名量子物理學家安頓·宰林格（Anton Zeilinger）認為太空至地球的量子通信是一項可行技術。宰林格正在打造一個人造衛星，用于産生糾纏光子，接收信息并對信息編碼，之後再将編碼的信息反射回來，以建立全球量子通信網絡。

量子通信不僅在軍事、國防等領域具有重要的作用，而且會極大地促進國民經濟的發展。自1993年美國IBM的研究人員提出量子通信理論以來，美國國家科學基金會、國防高級研究計劃局都對此項目進行了深入的研究，歐盟在1999年集中國際力量緻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世紀的戰略項目。

中國研究

中國科技大學合肥微尺度物質科學國家實驗室的潘建偉教授及其同事，利用冷原子量子存儲技術在國際上首次實現了具有存儲和讀出功能的糾纏交換，建立了由300米光纖連接的兩個冷原子系綜之間的量子糾纏。這種冷原子系綜之間的量子糾纏可以被讀出并轉化為光子糾纏以進行進一步的傳輸和量子操作。該實驗成果完美地實現了長程量子通信中亟需的“量子中繼器”，向未來廣域量子通信網絡的最終實現邁出了堅實的一步。

2010年，中國科技大學和清華大學的研究人員完成了一項創舉，他們的自由空間量子通信實驗将通信距離從先前的數百米記錄一步跨越到16公裡。此刻，中國科技大學上海研究院的研究人員再次創造了新紀錄，他們将通信距離擴大到了97公裡，橫跨中國的一個湖泊。報告發表在預印本網站上。研究人員在海拔約4000米的青海剛察湖上完成了這次自由空間信道量子實驗，他們不是在湖這邊發射光子，然後讓它在湖對岸重新出現，而是利用量子糾纏——即兩個量子态互相影響的粒子——在新地點重新創造出相同的量子比特。他們在四個多小時内向97公裡外遠距傳輸了1100多個光子。将量子通信距離延長到100公裡意味着可以從地面與衛星進行通信，全球範圍的量子通信正在變成現實。

量子信息因其傳輸高效和絕對安全等特點，被認為可能是下一代IT技術的支撐性研究，并成為全球物理學研究的前沿與焦點領域。基于我國2001年以來在量子糾纏态、糾錯、存儲等核心領域的系列前沿性突破，中科院于2011年啟動了空間科學戰略性先導科技專項，力争在2015年左右發射全球首顆“量子通訊衛星”。

中國科學技術大學教授潘建偉、彭承志、陳宇翺等人，與中科院上海技術物理研究所王建宇、光電技術研究所黃永梅等組成聯合團隊，于2011年10月在青海湖首次成功實現了百公裡量級的自由空間量子隐形傳态和糾纏分發。實驗證明，無論是從地面指向衛星的上行量子隐形傳态，還是衛星指向兩個地面站的下行雙通道量子糾纏分發均可行，為基于衛星的廣域量子通信和大尺度量子力學原理檢驗奠定了技術基礎。

在高損耗的地面成功傳輸100公裡，意味着在低損耗的太空傳輸距離将可以達到1000公裡以上，基本上解決了量子通訊衛星的遠距離信息傳輸問題。已量子通訊衛星核心技術的突破，也表明未來構建全球量子通信網絡具備技術可行性。

2013年10月，中國科學技術大學郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室在高維量子信息存儲方面取得重要進展：該實驗室史保森教授領導的研究小組在國際上首次實現了攜帶軌道角動量、具有空間結構的單光子脈沖在冷原子系綜中的存儲與釋放，證明了建立高維量子存儲單元的可行性，邁出了基于高維量子中繼器實現遠距離大信息量量子信息傳輸的關鍵一步。這項研究成果在線發表在《自然·通訊》上。

2021年1月7日，中國科學技術大學宣布中國科研團隊成功實現了跨越4600公裡的星地量子密鑰分發，标志着我國已構建出天地一體化廣域量子通信網雛形。

存儲問題

類比于傳統的電子通信中為了補償電信号衰減而進行整形和放大的電子中繼器，奧地利科學家在理論上提出，可以通過量子存儲技術和量子糾纏交換和純化技術的結合來實現量子中繼器，從而最終實現大規模的長程量子通信。量子存儲的實驗實現卻一直存在着很大的困難。為了解決量子存儲問題，國際上人們做了大量的研究工作。比如段路明及其奧地利、美國的合作者就曾于2001年提出了基于原子系綜的另一類量子中繼器方案。由于這一方案具有易于實驗實現的優點，受到了學術界的廣泛重視。然而，随後的研究表明，由于這一類量子中繼器方案存在着諸如糾纏态對信道長度抖動過于敏感、誤碼率随信道長度增長過快等嚴重問題，無法被用于實際的長程量子通信中。

為了解決上述困難，潘建偉、陳增兵和趙博等在理論上提出了具有存儲功能、并且對信道長度抖動不敏感、誤碼率低的高效率量子中繼器方案。同時，潘建偉研究小組與德國、奧地利的科學家經過多年的合作研究，在逐步實現了光子—原子糾纏、光子比特到原子比特的量子隐形傳态等重要階段性成果的基礎上，最終實驗實現了完整的量子中繼器基本單元。

重要進展

中科大網站2013年10月報道，中國科學技術大學郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室在高維量子信息存儲方面取得重要進展，該實驗室史保森教授領導的研究小組最近首次成功地實現了攜帶軌道角動量、具有空間結構的單光子脈沖的存儲與釋放，證明了高維量子态的存儲是完全可行的。該小組通過兩個磁光阱制備了兩個冷原子團，利用其中一個冷原子團通過非線性過程制備标記單光子，并通過螺旋相位片使該光子攜帶一定的軌道角動量，具有特殊的空間結構。而後利用電磁誘導透明效應将其存儲于另一個作為存儲介質的冷原子團中，實驗結果清楚地證明了單光子攜帶的軌道角動量可以高保真地被存儲。同時該小組借助于精心設計的Sagnac幹涉儀，通過量子層析技術和幹涉技術成功地證明了單光子軌道角動量的疊加性也可以在存儲過程中很好地保持，而态的疊加特性是量子信息之所以不同于經典信息的根本之處。從而在國際上首次實現了攜帶軌道角動量、具有空間結構的單光子脈沖在冷原子系綜中的存儲與釋放，證明了建立高維量子存儲單元的可行性，邁出了基于高維量子中繼器實現遠距離大信息量量子信息傳輸的關鍵一步。

通信網路

作為新一代通信技術，量子通信基于量子信息傳輸的高效和絕對安全性，成為近幾年來國際科研競争中的焦點領域之一。合肥城域量子通信試驗示範網于2010年7月啟動建設，投入經費6000多萬元。經過中國科學技術大學和安徽量子通信技術有限公司科研人員曆時1年多的努力，項目建成後試運行，各項功能、指标均達到設計要求。該項目2012年3月29日通過安徽省科技廳組織的專家組驗收，30日正式投入使用。

具有46個節點的量子通信網覆蓋合肥市主城區，使用光纖約1700公裡，通過6個接入交換和集控站，連接40組“量子電話”用戶和16組“量子視頻”用戶。此刻主要用戶為對信息安全要求較高的政府機關、金融機構、醫療機構、軍工企業及科研院所，如合肥市公安局、合肥市應急指揮中心、中國科學技術大學、合肥第三人民醫院及部分銀行網點等。

獲得批複

2月24日，科技部部長萬鋼在國新辦新聞發布會上表示，中國新的科技計劃體系将對面向未來的量子通信等方面基礎研究進行重點支持。市場人士認為，中國在量子通信技術研究、産業應用方面處于國際領先地位，未來一旦實現更多技術突破，其市場空間将非常廣闊。萬鋼說，在中國新的科技計劃體系當中，将聚焦重大需求，重點研發計劃對面向未來的量子通信、生命科學、幹細胞、環境保護等方面基礎研究進行重點支持。

公開資料顯示，2016年6月，由中科院、中國科學技術大學承建的“京滬幹線”項目将完成交付。“京滬幹線”傳輸距離達2000多公裡，連接北京、濟南、合肥、上海等城域網絡的量子保密通信線路，從而成為全球首個距離最遠的廣域光纖量子保密通信骨幹線路。2016年7月，由中科院院士潘建偉擔任首席科學家的量子科學實驗衛星将發射，有望開啟“天地一體化”的量子通信實用化的大幕。潘建偉表示，在“天地一體化”的全球量子通信基礎設施的支持下，就可以構建基于信息安全保障的未來互聯網。

從這些突破性的進展看，2016年将是我國量子通信産業化元年，未來一旦實現更多技術突破，市場空間将非常廣闊。