量子通信技术发展现状及应用

航天 · 2016-11-22 23:49:38

1 概念及原理　　量子通信是近30年发展起来的新兴交叉学科，是量子力学、通信理论以及计算机科学相结合的产物。　　量子通信的基本思想主要由美国科学家Bennett等于20世纪80年代起提出，主要包括量子密钥分发（QKD）和量子态隐形传输。　　量子密钥分发可以建立安全的通信密码，通过“一次一密”的加密方式实现点对点的安全通信。这里的安全性在数学上已经获得严格证明，是传统通信迄今为止做不到的。现有的量子密钥分发技术可以实现百千米量级的量子密钥分发。　　量子态隐形传输是基于量子纠缠态的分发与量子联合测量，实现量子态（量子信息）的空间转移而又不移动量子态的物理载体，这如同将密封信件内容从一个信封内转移到另一个信封内而又不移动任何信息载体自身，颠覆了传统通信的传输模式。而量子纠缠是指有共同来源的两个微观粒子之间，无论相距多远都能“感应”对方的状态，当你对其中一个粒子进行测量时，也会影响到另一个粒子的状态，尽管两者之间没有任何方法可以相互沟通，但它就好比双胞胎之间的心灵感应。这一现象被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”。

量子隐形传态示意图　　量子态具有不可分割、不可测量、不可克隆的特性，与以往的通信技术相比，量子通信技术具有以下主要特点与优势。　　1）绝对安全。量子通信最大的颠覆性就是其无条件安全，信息传递过程中采用“一次一密”的加密方式，任何截获或测量量子密钥的操作，都会改变量子状态，从而确保了两地之间通信的绝对可靠。　　2）超大信道容量。量子通信的信息传输载体为光量子态，根据量子信息论原理，1个光量子在常温下可携带几十比特信息，而现行的传统光通信系统，折合1个光量子在常温下仅能携带几十分之一比特信息。这使得量子通信容量比传统光通信提高了几个数量级。　　3）超高通信速率。量子信息的传递速度取决于量子态的塌缩速度，而塌缩速度大大超过光速。因而，理论上量子信息的传递速度是超光速的。　　2 发展现状　　国外研发动态　　美国对量子通信的理论和实验研究开始较早，是最先将量子技术列入国家战略、国防和安全研发计划的国家。20世纪末，美国政府便将量子信息列为“保持国家竞争力”计划的重点支持课题。2006年，美国洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）国家实验室进一步完善了诱骗态方案，并实现了超过100km的量子保密通信实验。2007年，美国科学家让两个独立原子实现了量子纠缠和远距离量子通信。2009年，美国国防高级研究计划局（DARPA）和洛斯阿拉莫斯国家实验室分别建成了两个多节点量子通信互联网络，并与空军合作进行了基于飞机平台的自由空间量子通信研究，建成城域量子通信演示网。同年，美国麻省理工学院科学家继续在冷原子中量子存储和波动研究领域有了新的突破，该方面技术是设计量子信息网络的关键。近期，美国航空航天局（NASA）计划在其总部与喷气推进实验室（JPL）之间建立一个直线距离600km、光纤皮长1000km左右的包含10个骨干节点的远距离光纤量子通信干线，并计划拓展到星地量子通信。　　欧盟推出了用于发展量子信息技术的“欧洲量子科学技术”计划以及“欧洲量子信息处理与通信”计划，这是继欧洲核子中心和航天技术采取国际合作之后，又一针对重大科技问题的大规模国际合作。2006年，欧洲慕尼黑大学与维也纳大学联合研究团队成功实现了诱骗态方案，并实现了超过100km的量子保密通信实验。2007年，由奥地利、英国、德国等多国科学家合作，在量子通信中圆满实现了通信距离达144km的最远纪录。2008年，意大利和奥地利科学家研究团队首次识别出从地球上空1500km处的人造卫星上反弹回地球的单批光子，实现了太空绝密传输量子信息的重大突破，为将量子通信用于全球通信做好了准备。　　日本政府提出了以新一代量子通信技术为对象的长期研究战略，并计划在2020－2030年间建成绝对安全保密的高速量子通信网，从而实现通信技术应用上质的飞跃。日本国家信息通信技术研究院（NICT）计划在2020年实现量子中继，到2040年建成极限容量、无条件安全的广域光纤与自由空间量子通信网络。　　国内研发动态　　我国涉足量子通信研究的时间与西方国家相当。目前，我国在量子密钥分发的实用化方面已跻身世界前列。最近几年，伴随诱骗态方案的提出，新技术突破不断涌现，自主研发的量子路由器、量子程控交换机及终端设备已能满足实用化要求。2014年，中国科学技术大学研究团队将远程量子密钥分发系统的安全距离扩展至200km，并将成码率提高了3个数量级，创下新的世界记录。目前，国内已有多家致力于量子通信技术研发的公司相继成立，如山东量子科学技术研究院有限公司、安徽问天量子科技股份有限公司、安徽量子通信技术有限公司等。　　相比于量子密钥分发，量子隐形传态的实用化进程还有较长的路要走。2011年，中国科学院联合研究团队在青海湖首次成功实现了百千米量级的自由空间量子隐形传态和双向纠缠分发，为基于卫星的广域量子通信奠定了基础。2015年2月，中国科学技术大学科研人员在量子领域研究获得重要进展，在国际上首次成功实现多自由度量子体系的隐形传态。这是自1997年国际上首次实现单一自由度量子隐形传态以来，科学家们在量子信息实验研究领域取得的又一重大突破，为发展可扩展的量子计算和量子网络技术奠定了坚实的基础。　　另外，2014年12月，世界首颗“量子科学实验卫星”完成了关键部件的研制与交付，中国有望先于欧美在2016年前后发射，卫星在轨设计寿命为2年。“量子科学实验卫星”是中国科学院战略性先导科技专项，启动于2011年，主要目的是开展卫星与地面之间绝对安全的高速量子密钥分发实验，通过高精度的捕获和跟瞄系统，建立超远距离的量子信道，并在此基础上进行广域量子通信网络的演示，这将是国际上首次星地间量子通信实验。同时，工程还将建设4个量子通信地面站和1个空间量子隐形传态实验站，以此形成天地一体化的量子通信实验系统，这将为确保我国网络通信安全、国家安全做出重大现实贡献。

总体来说，世界主要国家在量子通信领域的研究已进入大规模应用前夕，并加快朝着实用化前景发展。世界各国政府、国防部门、科技界和信息产业界对此均给予高度重视，围绕量子通信技术的国家能力竞争也就显得日趋激烈。全球信息产业界的国际巨头们，如国际商业机器公司（IBM）、飞利浦公司（Philips）、美国电报电话公司（AT&T）、贝尔实验室（Bell）、惠普公司（HP）、西门子公司、日本电气股份有限公司（NEC）、日立公司、三菱公司、日本电信电话株式会社（NTT）等也对量子通信技术投放了高额研发资本，抓紧开展量子通信技术的研发，并奋力推进产业化。　　3 军事应用前景　　在作战指控系统中的应用　　现代战争形态正向“无人”、“无声”、“无形”的“三无战争”演变，而无人系统的运用离不开精准、精密、安全的指控系统。量子安全直接通信方式几乎可以不用借助经典信道进行数据传输，可以达到很高的安全性。但由于其目前传输速率有限，更适合应用于传输信息量小、对保密性要求高的应用场合。在电子化指挥控制系统中，由于诸元及核安控信息、作战指挥信息等要求绝对保密，而且信息量较少，对通信速率要求不高，更适合于采用量子安全直接通信方式进行通信。　　在深海作战中的应用　　岸基与深海之间的通信一直是世界性难题。当今，海上军事通信用的是无线电长波，不仅系统庞大、造价高、抗毁性差，还仅能实现海水下百米左右的很短距离通信。而量子波束，由于其隐形态传输与传播媒质无关，可以在深海下自由通信，这就为远洋深海军事安全通信开辟了一条崭新的途径。水下潜艇再也不需要浮出水面来通信，也避免了因发射无线电而暴露自身位置。　　在核战争中的应用　　由于量子束的纠缠特性极强，并且不会受到核辐射的影响，因此适合于核战争的环境。例如，当发生核战争时，被安置在岩石深处的指挥部若使用量子通信系统，其量子束发射机不会受到原子弹的破坏，其量子束接收机还能正常接收通信信息。这是由于量子通信信息的“传输”不是采用通常的通信方式，而是采用量子纠缠态的“感知”优越性能。　　在精确导航中的应用　　国外物理学家们正设想利用“量子纠缠”技术，建立一个原子钟全球网络，这将提高卫星导航系统的性能，检测出时间和空间上的微小变化，获取更精确的地面位置信息以及时间标准。连接在网络中的每台时钟都可以向中心卫星发送临时更新信息，报告它们的信息状态，随后网络将对其整体性能进行微调。　　4 应用于导弹武器通信系统需解决的问题　　将先进的光子量子通信技术应用于导弹武器或飞行器上需要解决如下几个瓶颈问题。　　环境适应性不强　　单光子探测器主要基于半导体的雪崩效应，往往会由于环境的微小扰动发生雪崩而给出一个信号，造成暗计数偏多的现象，导致误码。导弹武器系统的工作环境往往复杂恶劣，存在较大的干扰，工程应用中密钥的传输效率会受到显著影响。　　高动态条件快速跟瞄较难　　由于低轨卫星与地面相距遥远且与地面不是相对静止，要实现精确的同步、跟瞄较难。另外，由于导弹武器的高动态运动属性及飞行环境的复杂性，因而无法精确预测其弹道，这更增加了快速精确跟瞄的难度。　　体积、质量较大　　现有的光学量子设备体积和质量较大，但是导弹武器和作战车辆内部空间狭小，且导弹对载荷质量较为敏感。因此，小型化、轻量化是实现量子通信技术应用于导弹武器系统的关键工程问题。　　在这几个瓶颈问题解决之前，如何利用量子原理实现高动态条件下的安全无线通信是国际研究热点。目前，基于无线信道宏、微观特征的对称密钥生成与分发技术被认为是最有前景的保密通信技术，美国国防高级研究计划局已经启动了该项技术的研究。清华大学、国防科学技术大学、解放军信息工程大学等国内优势单位在该方向也已经开展了部分研究。　　5 结语　　中国在量子通信的基础研究和产业化推进上与国外诸强基本保持同一水平，甚至在某些领域已经领先欧美发达国家。民用方面，我国斥巨资在部分城市建立了量子通信网，并在2015年初实现了银行业电子档案信息在同城间的加密传输；军用方面，进入工程普及还需要3～5年时间。回顾我国科研工作者在量子通信领域内的多年付出，可以看到中国正在该领域悄然崛起。面对即将到来的颠覆性技术革命，中国不能只做一个“追随者”，应当抓住机遇，抢占先机，真正实现跨越式的发展，做量子科技进步的领军者。　　上文选自《国际太空》，如有需要请查阅该期刊。

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