量子通信

簡(jiǎn)介

　　量子通信又稱量子隱形傳送（Quantum Teleportation），“teleportation”一詞是指一種無(wú)影無(wú)蹤的傳送過(guò)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(shí)現(xiàn)保密通信過(guò)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(lái)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(lái)想象隱形傳送的過(guò)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(diǎn)，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(guò)程。人們基于這個(gè)過(guò)程提出了實(shí)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(lái)聯(lián)絡(luò)許多量子處理器，它可以同時(shí)實(shí)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(shí)現(xiàn)多端的分布計(jì)算，有效地降低通信復(fù)雜度等一系列優(yōu)點(diǎn)。
　　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(qiáng)、大容量、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，是21世紀(jì)國(guó)際量子物理和信息科學(xué)的研究熱點(diǎn)。
 

歷史

　　1982年，法國(guó)物理學(xué)家艾倫·愛(ài)斯派克特（Alain Aspect）和他的小組成功地完成了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了微觀粒子“量子糾纏”（quantum entanglement）的現(xiàn)象確實(shí)存在，這一結(jié)論對(duì)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(lái)，西方科學(xué)界主流思想認(rèn)為，宇宙的組成部份相互獨(dú)立，它們之間的相互作用受到時(shí)空的限制（即是局域化的）。 量子糾纏證實(shí)了愛(ài)因斯坦的幽靈——超距作用（spooky action in a distance）的存在，它證實(shí)了任何兩種物質(zhì)之間，不管距離多遠(yuǎn)，都有可能相互影響，不受四維時(shí)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(shí)驗(yàn)室在量子糾纏理論的基礎(chǔ)上，1993年，美國(guó)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(ài)因斯坦的“幽靈（Spooky）” ——量子糾纏效益開(kāi)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(lái)自不同國(guó)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(shí)現(xiàn)量子隱形傳送的方案，即將某個(gè)粒子的未知量子態(tài)傳送到另一個(gè)地方，把另一個(gè)粒子制備到該量子態(tài)上，而原來(lái)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(rèn)識(shí)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(guò)量子態(tài)的傳送完成大容量信息的傳輸，實(shí)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(guó)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(shí)現(xiàn)了未知量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸。這是國(guó)際上首次在實(shí)驗(yàn)上成功地將一個(gè)量子態(tài)從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實(shí)驗(yàn)中傳輸?shù)闹皇潜磉_(dá)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(guò)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(kāi)，2007年6月，又根據(jù)BB84協(xié)議將實(shí)驗(yàn)重復(fù)了一次，以檢測(cè)通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行量子通信的可能性，研究中通過(guò)創(chuàng)下了通信距離達(dá)144公里的最遠(yuǎn)紀(jì)錄。而要達(dá)到更遠(yuǎn)的距離很難，因?yàn)榇髿馊菀赘蓴_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(guò)人造衛(wèi)星來(lái)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(dāng)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(shí)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(shí)現(xiàn)了太空絕密傳輸量子信息的重大突破。這一突破標(biāo)明在太空和地球之間可以構(gòu)建安全的量子通道來(lái)傳輸信息，用于全球通信。
　　經(jīng)過(guò)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?yàn)，并向?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(yuǎn)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(gè)粒子間距離多遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的變化都會(huì)影響另一個(gè)粒子的現(xiàn)象叫量子糾纏，這一現(xiàn)象被愛(ài)因斯坦稱為“詭異的互動(dòng)性”?？茖W(xué)家認(rèn)為，這是一種“神奇的力量”，可成為具有超級(jí)計(jì)算能力的量子計(jì)算機(jī)和量子保密系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
　　量子態(tài)的隱形傳輸在沒(méi)有任何載體的攜帶下，而只是把一對(duì)攜帶信息的糾纏光子分開(kāi)來(lái)，將其一的光子發(fā)送到特定的位置，就能準(zhǔn)確推測(cè)出另一個(gè)光子的狀態(tài)，從而達(dá)到“超時(shí)空穿越”的通信方式和“隔空取物”的運(yùn)輸方式。
　　量子態(tài)隱形傳輸就是遠(yuǎn)距離傳輸，是在無(wú)比奇特的量子世界里，量子呈現(xiàn)的“糾纏”運(yùn)動(dòng)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(shí)空穿越”，在一個(gè)地方神秘消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個(gè)地方瞬間出現(xiàn)。雖然一些媒體解讀“量子通信”時(shí)，常常轉(zhuǎn)載使用了“超時(shí)空傳送”這個(gè)容易引起誤解的詞。事實(shí)上，糾纏的兩個(gè)粒子盡管可以在很遠(yuǎn)的距離上一個(gè)影響另一個(gè)，但它們無(wú)法傳遞任何信息。以密鑰為例，當(dāng)雙方共享同一套密鑰時(shí)，并沒(méi)有發(fā)生信息的傳遞 雙方無(wú)法利用密鑰做任何事情，直到加密的文本傳來(lái)，密鑰才有意義 傳送加密文本的速度仍然不可能超過(guò)光速。相對(duì)論沒(méi)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(jìn)行隱形傳輸，而將其他量子信息過(guò)濾掉。只有經(jīng)“后選擇”法認(rèn)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(jìn)行隱形傳輸。這種情況下，時(shí)間旅行成立的先決條件就是一個(gè)自治、不產(chǎn)生矛盾的環(huán)境狀態(tài)。它允許回到過(guò)去時(shí)空，但禁止一切可能在未來(lái)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(cè)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(wèn)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(duì)未來(lái)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?cè)矶寪?ài)因斯坦認(rèn)為難以置信，而量子糾纏的發(fā)生機(jī)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(duì)論之間的不相容問(wèn)題列為當(dāng)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(guó)防等領(lǐng)域具有重要的作用，而且會(huì)極大地促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。自1993年美國(guó)IBM的研究人員提出量子通信理論，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局都對(duì)此項(xiàng)目進(jìn)行了深入的研究。瑞士、法國(guó)等歐美國(guó)家也成立公司進(jìn)行量子通信的商業(yè)研發(fā)。
　　歐盟在1999年集中國(guó)際力量致力于量子通信的研究，研究項(xiàng)目多達(dá)12個(gè)。
　　日本郵政省把量子通信作為21世紀(jì)的戰(zhàn)略項(xiàng)目。
　　在國(guó)家安全、金融等信息安全領(lǐng)域，量子保密通信技術(shù)也開(kāi)始發(fā)揮作用。2004年奧地利銀行作為世界上首個(gè)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(zhǎng)處傳至銀行。2007年瑞士全國(guó)大選的選票結(jié)果傳送過(guò)程也采用了量子保密通信技術(shù)，以保證結(jié)果的絕對(duì)安全。
　　2009年，量子政務(wù)網(wǎng)、量子通信網(wǎng)相繼在中國(guó)建成。這兩個(gè)可投入實(shí)際使用的量子通信網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)志著原本停留在紙面和實(shí)驗(yàn)室的量子保密通信，已經(jīng)開(kāi)始在人們的日常生活中應(yīng)用。
　　2011年，中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)了空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，計(jì)劃在2015年左右發(fā)射全球首顆“量子通訊衛(wèi)星”。中國(guó)于2011年10月在青海湖首次成功實(shí)現(xiàn)了百公里量級(jí)的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)。