科普中國-量子通信

量子通信，量子加密通信的簡稱，可以簡單理解為使用量子計算為通信雙方進行加密，保障通信安全性的過程。

量子通信是量子信息學的一個重要分支，它利用量子力學原理對量子態(tài)進行操控，在兩個地點之間進行信息交互，可以完成經(jīng)典通信所不能完成的任務。量子通信是迄今唯一被嚴格證明無條件安全的通信方式，可以有效解決信息安全問題14。

量子力學中的不確定性、測量坍縮和不可克隆三大原理為通信提供了無法被竊聽和計算破解的絕對安全性保證，主要分為量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)兩種1。

當前量子隱形傳態(tài)中的糾纏對制備、分發(fā)和測量等關鍵技術有待突破，處于理論研究和實驗探索階段，距離實用化尚有較大差距1。而以量子密鑰分發(fā)為基礎的量子保密通信成為未來保障網(wǎng)絡信息安全的一種非常有潛力的技術手段，是量子通信領域理論和應用研究的熱點1。

2022年4月13日報道，中國科學家設計出一種相位量子態(tài)與時間戳量子態(tài)混合編碼的量子直接通信新系統(tǒng)，成功實現(xiàn)100公里的量子直接通信。2024年1月消息，中國清華大學研究團隊利用同種離子的雙類型量子比特編碼，在國際上首次實現(xiàn)無串擾的量子網(wǎng)絡節(jié)點，對未來實現(xiàn)量子通訊和大規(guī)模量子計算具有重要意義16。

簡介

量子通信是一種基于量子力學原理的新型通信方式，主要利用量子糾纏和量子疊加等現(xiàn)象實現(xiàn)信息的傳輸。與傳統(tǒng)通信相比，量子通信具有無法被破解的安全性，因為在量子通信過程中，任何對量子系統(tǒng)的觀測都會改變系統(tǒng)的狀態(tài)，從而被通信雙方所察覺。量子通信的主要應用包括量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)和量子糾纏傳輸?shù)取?/p>

光量子通信利用量子糾纏和隱形傳態(tài)技術實現(xiàn)信息的高效安全傳輸。通過聯(lián)合測量和幺正變換，通信雙方可以共享未知量子態(tài)，確保信息不被破解。與傳統(tǒng)通信相比，光量子通信在安全性和傳輸效率上具有顯著優(yōu)勢，能夠實現(xiàn)一次傳輸相當于經(jīng)典通信128倍的速率。

技術特點

原理

量子通信從理論上的定義而言，并沒有一個非常嚴格的標準。在物理學中可以將其看作是一個物理極限，通過量子效應就能實現(xiàn)高性能的通信。而在信息學中，量子通信是通過量子力學原理中特有的屬性，來完成相應的信息傳遞工作。量子通信同傳統(tǒng)的通信方式相比較，有一些比較突出的特點，例如安全性比較高，還有就是傳輸?shù)倪^程中不容易受到阻礙。當量子態(tài)在不被破壞的情況下，在傳輸信息的過程中是不會被竊聽，也不會被復制的，所以嚴格意義上來看，它是絕對安全的。

量子通信融合了現(xiàn)代物理學和光通信技術研究的成果，由物理學基本原理來保證密鑰分配過程的無條件安全性1112。量子密鑰分發(fā)根據(jù)所利用量子狀態(tài)特性的不同，可以分為基于測量和基于糾纏態(tài)兩種?；诩m纏態(tài)的量子通信在傳遞信息的時候利用了量子糾纏效應，即兩個經(jīng)過耦合的微觀粒子，在一個粒子狀態(tài)被測量時，同時會得到另一個粒子的狀態(tài)。

分類

通常來說，量子通信可分為：量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)、量子糾纏分發(fā)和量子密集編碼等。

量子密鑰分發(fā)是量子通信中最成熟和應用最廣泛的技術之一。它利用量子力學原理來安全地分發(fā)密鑰，這個密鑰可以用來加密和解密信息。

量子隱形傳態(tài)是一種將量子態(tài)從一個地點傳送到另一個地點而不經(jīng)過物理空間的過程。它依賴于糾纏粒子和經(jīng)典通信的結合。

量子糾纏分發(fā)中，糾纏的量子態(tài)被創(chuàng)建并在兩個或多個地點之間分發(fā)，這些糾纏態(tài)可以用于各種量子信息和量子計算任務。

量子密集編碼是一種利用量子糾纏來傳輸更多信息的技術。通過發(fā)送少量的量子比特，可以傳達更多的經(jīng)典信息2。

特點

量子通信具有很多特點，其中與傳統(tǒng)的通信方式相較，量子通信最大的優(yōu)勢就是絕對安全和高效率性，首先傳統(tǒng)通信方式在安全性方面就有很多缺陷，量子通信會將信息進行加密傳輸，在這個過程中密鑰不是一定的，充滿隨機性，即使被相關人員截獲，也不容易獲取真實信息，另外量子通信還有較強的抗干擾能力、很好的隱蔽性能、較低的噪音比需要以及廣泛應用的可能性3。就是一個自帶“保險柜”的加密通信過程。

難點

一是為了進行遠距離的量子態(tài)隱形傳輸，必須要讓通信的兩地同時具有最大量子糾纏態(tài)。但是，由于環(huán)境噪聲的影響，量子糾纏態(tài)的品質會隨著傳送距離的增大而變得越來越差。因此，如何提純高品質的量子糾纏態(tài)是量子通信研究中的重要課題。

二是如何實現(xiàn)量子信號的中繼轉發(fā)，取得令人滿意的遠距離通信效果。到為止，業(yè)界在光源、信道節(jié)點和接收機等方面還沒有取得圓滿成功，所需的安全性要求沒有保障，可能被竊聽。如何對實際量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)進行攻防測試和安全性升級是運行維護面臨的難題。

三是因為中繼節(jié)點的密鑰存儲和轉發(fā)存在漏洞，可能成為整個系統(tǒng)的安全風險點。如何解決糾纏態(tài)對信道長度抖動過于敏感、誤碼率隨信道長度增長過快等嚴重問題，也是一個令人頭疼的問題。2

應用與用途

量子通信具有傳統(tǒng)通信方式所不具備的絕對安全特性，在國家安全、金融等信息安全領域有著重大的應用價值和前景，也逐漸走進人們的日常生活。

量子通信的用途主要集中在以下幾個方面：

1.數(shù)據(jù)中心保護：量子保密通信在數(shù)據(jù)中心防護方面有重要應用，特別是在利用量子密鑰分發(fā)（QKD）鏈路加密的數(shù)據(jù)中心中。

2.量子隨機數(shù)發(fā)生器：量子通信技術被用于生成真正的隨機數(shù)，這些隨機數(shù)在加密和其他安全通信協(xié)議中非常重要。

3.政務和國防安全：量子通信在政務和國防等特殊領域的安全應用中扮演著關鍵角色。

4.電信網(wǎng)絡：隨著QKD技術的成熟和終端設備的小型化、移動化，量子通信將擴展到電信網(wǎng)絡領域。

5.企業(yè)網(wǎng)絡和個人家庭：量子通信技術未來也可能被應用于企業(yè)網(wǎng)絡和個人家庭的通信安全。

6.云存儲：量子通信在提高云存儲安全性方面也有潛在應用。

7.量子云計算和量子傳感網(wǎng)：長遠來看，通過量子通信網(wǎng)絡連接分布式的量子計算機和量子傳感器，可能會產(chǎn)生量子云計算和量子傳感網(wǎng)等全新應用。

8.廣域量子保密通信網(wǎng)絡：中國已實現(xiàn)廣域量子保密通信網(wǎng)絡的構建，包括光纖量子保密通信城域網(wǎng)、骨干網(wǎng)以及星地量子通信網(wǎng)絡，服務于金融、電力、政務等行業(yè)。

量子通信的主要優(yōu)勢在于其提供的信息傳輸安全性。它利用量子比特作為信息載體，能夠在確保信息安全和增大信息傳輸容量方面突破經(jīng)典信息技術的極限。特別是量子密鑰分發(fā)技術，它克服了經(jīng)典加密技術的安全隱患，被認為是迄今為止唯一被嚴格證明無條件安全的通信方式。

發(fā)展方向

量子通信技術發(fā)展成熟后，將廣泛地應用于軍事保密通信及政府機關、軍工企業(yè)、金融、科研院所和其他需要高保密通信的場合。量子通信未來有以下幾個發(fā)展方向：

(1)采用量子中繼技術，擴大通信距離。

這方面以中國的“京滬干線”項目為代表。由于單光子在傳輸過程中損耗很大，對于遠距離傳輸，必須采用中繼技術。然而量子態(tài)的非克隆原理給量子中繼出了很大難題，因為量子態(tài)不可復制，所以量子中繼不能像普通的信號中繼一樣，把弱信號接收放大后再轉發(fā)出去。量子中繼只能是在光子到達最遠傳輸距離之前接收其信號，先存儲起來，再讀出這個信號，最后以單光子形式發(fā)送出去。量子中繼很像火炬接力，一個火炬在燃料耗盡之前點燃另一個火炬，這樣持續(xù)傳送下去，不能一次同時點燃多個火炬。量子中繼有很多方案，包括光量子方案、固態(tài)原子方案等。

(2)采用星地通信方式，實現(xiàn)遠程傳輸。

采用衛(wèi)星通信后，兩地之間的量子通信更加方便快捷。在真空環(huán)境中，光子基本無損耗，損耗主要發(fā)生在距地面較低的大氣中。據(jù)測算，只要在地面大氣中能通信十幾千米，星地之間通信就沒有問題。中國學者曾經(jīng)在北京與懷柔之間成功地進行夜晚十幾千米的單光子傳輸實驗，為星地量子通信奠定了堅實的實驗基礎。

(3)建立量子通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)多地相互通信。

量子通信要想實用化，必須覆蓋多地形成網(wǎng)絡。2009年，郭光燦小組在安徽蕪湖建立了世界首個量子政務網(wǎng)，標志著中國量子保密通信正式進入應用階段。，國內外都建成了多個實用的量子通信網(wǎng)絡，下一步的發(fā)展是擴大節(jié)點數(shù)，擴展通信距離，形成大覆蓋面積的廣域網(wǎng)。4

發(fā)展史

國內發(fā)展歷程

2004年，中國科學技術大學潘建偉教授的科研團隊首次實現(xiàn)五光子糾纏和終端開放的量子態(tài)隱形傳輸。

2005年，4月22日出版的國際物理學權威期刊《物理評論快報》中國科學技術大學潘建偉教授的科研團隊發(fā)表了他們題為《13公里自由空間糾纏光子分發(fā)：朝向基于人造衛(wèi)星的全球化量子通信》的研究論文。

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(xiàn)了一種抗干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。

2008年，在“量子調控研究”重大科學研究計劃等的支持下，中國科學技術大學潘建偉教授領導的研究小組完成了**“量子中繼器的實驗實現(xiàn)”，研究成果于8月28日發(fā)表在《自然》上。他們在國際上首次實現(xiàn)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。**

2009年，潘建偉團隊在合肥構建和演示了一個4節(jié)點全通型量子通信網(wǎng)絡。其中任意兩個節(jié)點都可以互聯(lián)互通、實時地產(chǎn)生不落地量子密鑰，進而用來進行各種加密的數(shù)據(jù)、語音和多媒體通信等應用。此網(wǎng)絡基于誘騙態(tài)量子通信方案，大大提高了安全通信的距離和密鑰產(chǎn)生速率，同時保證了絕對安全性161718。其最近的兩個通信節(jié)點超過16km。每個節(jié)點可工作在全雙工模式，即同時作為量子信號發(fā)射和接收方進行量子通信。

2012年，潘建偉等人在國際上首次成功實現(xiàn)百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，為發(fā)射全球首顆“量子通訊衛(wèi)星”奠定技術基礎。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?！蹲匀弧冯s志稱其“有望成為遠距離量子通信的里程碑”、“通向全球化量子網(wǎng)絡”，歐洲物理學會網(wǎng)站、美國《科學新聞》雜志等也進行了專題報道。

2015年3月6日，國際權威物理學期刊《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 114, 090501 (2015)] 發(fā)表中國科學技術大學多方量子通信方案，該方案在實用化、遠距離多方量子通信方面邁出了重要的一步。

2018年9月，在國家重點研發(fā)計劃量子調控與量子信息重點專項項目“固態(tài)量子存儲器”的支持下，中國科學技術大學李傳鋒團隊在自主研制的高品質三維糾纏源的基礎上，進一步制備出偏振-路徑復合的四維糾纏源，保真度達到98%。實驗演示了量子密集編碼，一舉把量子密集編碼的信道容量紀錄提升到了2.09，超過了兩維糾纏能達到的理論極限，創(chuàng)造了當前國際最高水平。這項工作充分展示了高維糾纏在量子通信中的優(yōu)勢，為高維糾纏在量子信息領域的深入研究打下重要基礎。該成果于7月20日發(fā)表在國際權威期刊《科學·進展》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(xiàn)了跨越4600公里的星地量子密鑰分發(fā)，標志著中國已構建出天地一體化廣域量子通信網(wǎng)雛形****。

2022年4月13日報道，北京量子信息科學研究院、清華大學龍桂魯教授團隊和陸建華教授團隊共同設計出了一種相位量子態(tài)與時間戳量子態(tài)混合編碼的量子直接通信新系統(tǒng)，成功實現(xiàn)100公里的量子直接通信。這是截止2024年世界最長的量子直接通信距離。

2022年10月22日，科大國盾量子技術股份有限公司項目總監(jiān)周雷介紹，他和團隊參與了世界首條千公里級量子保密通信“京滬干線”的建設，參與了全球首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”的研制，推動中國量子通信領域從跟跑到領跑，進入世界第一梯隊。

2023年2月14日，全國首例“量子遠程手術”在山東威海、青島兩地順利實施，跨越260公里的手術，歷時50分鐘便順利完成，網(wǎng)絡平均時延8ms，患者出血量僅為20毫升，且術中無周圍臟器損傷等并發(fā)癥11。

2023年6月21日，從北京量子信息科學研究院獲悉，該研究院袁之良團隊與南京大學尹華磊合作，首次在實驗上實現(xiàn)打破安全碼率-距離界限的異步測量設備無關量子密鑰分發(fā)（也稱模式匹配量子密鑰分發(fā)），成功實現(xiàn)508公里光纖量子通信，以及破紀錄的城際密鑰率和雙光子干涉距離。

2023年8月1日，工信部發(fā)布的《量子保密通信網(wǎng)絡架構》（YD/T 4301-2023）、《量子密鑰分發(fā)（QKD）網(wǎng)絡 網(wǎng)絡管理技術要求 第1部分：網(wǎng)絡管理系統(tǒng)（NMS）功能》（YD/T 4302.1-2023）、《基于IPSec協(xié)議的量子保密通信應用設備技術規(guī)范》（YD/T 4303-2023）等三項量子保密通信相關的通信行業(yè)標準落地實施。

2023年12月30日，據(jù)參考消息援引香港《南華早報》網(wǎng)站報道，借助中國的墨子衛(wèi)星傳輸?shù)陌踩荑€，中國和俄羅斯的科學家成功建立了加密的量子通信。這表明，金磚國家量子通信網(wǎng)絡在技術上或可行。

2024年1月，中國清華大學研究團隊利用同種離子的雙類型量子比特編碼，在國際上首次實現(xiàn)無串擾的量子網(wǎng)絡節(jié)點。清華大學交叉信息研究院利用同種離子的兩對超精細能級結構，分別編碼出量子網(wǎng)絡中用于與光子產(chǎn)生糾纏的“通訊比特”和用于存儲信息的“存儲比特”。同時，利用激光還實現(xiàn)了兩種量子比特間微秒量級的相干轉換。

國際發(fā)展歷程

1984~1992年，第一個量子密碼通信方案提出，即著名的BB84方案。 簡化的 BB84方案提出。并第一次在實驗上原理性演示了量子密鑰分發(fā) 。6

1993~2005年，量子密鑰分發(fā)演示性實驗實現(xiàn)100公里以上通信距離，但安全通信距離只有10公 里量級，不具 有實用價值 。6

2006~2010年，美國 Los Alamos國家實驗室 一美國國家標準局聯(lián)合實驗組和奧地利的 Zeilinger教授領導的歐 洲聯(lián)合實驗室也使用誘騙態(tài)方案實現(xiàn)了安全距離超過100公里量子密鑰分發(fā)，量子通信得以從實驗室演示開始走向實用化 。6

2013年，美國獨立研究機構Battelle公布了環(huán)美量子通信骨干網(wǎng)絡項目。計劃采用分段量子密鑰分發(fā)，結合安全授信節(jié)點進行密碼中繼的方式為谷歌、微軟、 亞馬遜等互聯(lián)網(wǎng)巨頭的數(shù)據(jù)中心之間的通信提供量子安全保障服務。 6

歐洲

2008年發(fā)布了《量子信息處理與通信戰(zhàn)略報告》，提出了歐洲量子通信的分階段發(fā)展目標，包括實現(xiàn)地面量子通信網(wǎng)絡、星地量子通信、空地一體的千公里級量子通信網(wǎng)絡等。6

2008年9月，歐盟發(fā)布了關于量子密碼的商業(yè)白 皮書。啟動量子通信技術標準化研究，并聯(lián)合了來自12個歐盟國41個伙伴小組成立了 “ 基于量子 密碼的安全通信” (SECOQC)工程，這是繼歐洲核子中心和國際空間站后有一大規(guī)模的國際科技 合作項目。同年，該工程在維也納現(xiàn)場演示了一個基于商業(yè)網(wǎng)絡的包含 6個節(jié)點的量子通信網(wǎng)絡。歐空局正在與來自歐洲、美洲、澳大利亞和日本的多國科學家團隊合作開展空間量子實驗，由國際著 名量子物理家、沃爾夫物理學獎獲得者奧地利的Anton Zeilinger教授領銜，計劃在國際空間站與地面站之間實現(xiàn)遠距離量子通信。6

日本

提出量子信息技術長期研究戰(zhàn)略，目標年投入2億 美元，規(guī)劃在5~10年內建成全國性的高速量子通 信網(wǎng)。日本的國家情報通信研究機構 (NICT)也啟動了一個長期支持計劃。6

日本國立信息通信研究院計劃在 2020年實現(xiàn)量 子中繼，到 2040年建威極限容量、無條件安全 的廣域光纖與自由空間量子通信網(wǎng)絡。2010年。日本 NICT主導，聯(lián)合當時歐洲和日本在量子通 信技術上開發(fā)水平最高的公司和研究機構，在東 京建成了6節(jié)點城域量子通信網(wǎng)絡 “ Tokyo QKD Netword”。東京網(wǎng)在全網(wǎng)演示了視頻通話。并演示網(wǎng)絡監(jiān)控。6

美國

美國國防部支持的“ 高級研究與發(fā)展活動”(ARDA)計劃到 2014年將量子通信應用拓展到衛(wèi)星通信、城域以及遠距離光纖網(wǎng)絡。國防部高級計劃署 (DARPA)和 Los Alamos國家實驗室于 2009年分別建成了2個多節(jié)點量子通信互聯(lián)網(wǎng)絡，并與空軍合作進行了基于飛機平臺的自由空間量子通信研究。6

美國航空航天局 (NASA)正計劃在其總部與噴 氣推進實驗室 (JPL)之間建立一個直線距離 60 公里、光纖皮長1 000公里左右的包含10個骨干節(jié)點的遠距離光纖通信干線，計劃拓展到星地通信量子。6

實用化發(fā)展歷程

2010年7月，合肥城域量子通信試驗示范網(wǎng)正式開工實施。合肥市政府將其作為重大標志性科技工程列為全市自主創(chuàng)新重大專項，省發(fā)改委及省科技廳、合肥市共支持經(jīng)費6000多萬元，努力建成國內“首個開工、首個建成、首個使用”的規(guī)?；怯蛄孔油ㄐ啪W(wǎng)絡，為合肥市進一步提升戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)核心競爭力，搶占未來量子通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點發(fā)揮重要作用。

2012年 2月21日，金融信息量子通信驗證網(wǎng)在北京開通。金融信息量子通信驗證網(wǎng)的開通，是量子通信網(wǎng)絡技術保障金融信息傳輸安全的第一次技術驗證和典型應用示范，對加快建設國家級金融信息量子通信網(wǎng)、大力提升中國金融信息傳遞的安全性和便捷性，具有十分重要的意義。

2013年11月，濟南量子保密通信試驗網(wǎng)建成投入使用，山東省50個省直機關事業(yè)單位、金融機構實現(xiàn)了語音電話、傳真、文本通信和文件傳輸?shù)攘孔颖Ｃ軅鬏敇I(yè)務，這是中國第一套實用化的大型量子通信城域網(wǎng)，也是世界上規(guī)模最大、功能最全的量子保密通信試驗網(wǎng)絡。 濟南量子通信試驗網(wǎng)的建成，標志著量子通信技術在山東省開始步入實用化階段，有利于促進量子通信產(chǎn)業(yè)鏈的形成，為量子通信技術在山東省產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎。

2021年12月23日，西部（重慶）科學城璧山片區(qū)、中新（重慶）科技城一批重大項目集中投產(chǎn)。其中，由重慶國科量子通信網(wǎng)絡有限公司（以下簡稱“重慶國科量子”）建設的國家廣域量子保密通信“成渝干線”已于10月全線貫通，目前正在建設重慶通向武漢的量子通信“漢渝干線”。7

2022年，中國科學技術大學潘建偉院士科研團隊與中國科學院大學杭州高等研究院院長王建宇院士團隊，通過“天宮二號”和4個衛(wèi)星地面站上的緊湊型量子密鑰分發(fā)（QKD）終端，實現(xiàn)了空—地量子保密通信網(wǎng)絡的實驗演示。相關論文刊登在國際學術期刊《光學》上。

2023年6月，中國科學家將異步匹配技術與響應過濾方法引入量子通信，創(chuàng)造了城際量子密鑰率的新紀錄——傳輸距離201公里下量子密鑰率超過每秒57000比特、傳輸距離306公里下量子密鑰率超過每秒5000比特。