文 | 傳感器技術（）
量子通信是近二十年發展上去的新型交叉學科，是量子論和信息論相結合的新的研究領域。其帶來的高效安全的信息傳輸日漸遭到人們的關注，并且基于量子力學的基本原理，并因而成為國際上量子物理和信息科學的研究熱點。
去年8月16日，世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”發射升空，不到一年的時間，就完成了原定三年的星地高速量子密鑰分發、量子糾纏分發和地星量子隱形傳態實驗三大科學目標。
中國科學技術大學的研究團隊，利用“墨子號”量子科學實驗衛星，在國際上首次成功實現了從衛星到地面的量子密鑰分發和從地面到衛星的量子隱形傳態。
量子通信又稱量子隱形傳送是指一種無影無蹤的傳送過程。量子通信是由量子態攜帶信息的通訊方法，它借助光子等基本粒子的量子糾纏原理實現保密通訊過程。量子通信是一種全新通訊方法，它傳輸的不再是精典信息而是量子態攜帶的量子信息，是未來量子通信網絡的核心要素。
按照常理，信息的傳播須要載體，而量子通信是不需要載體的信息傳遞。從物理學角度，可以這樣來想像隱型傳送的過程：先提取原物的所有信息，然后將這種信息傳送到接收地點，接收者根據這種信息，選取與構成原物完全相同的基本單元（如：原子），制造出原物完美的復制品。
量子隱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設想。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。相比于精典因特網，量子因特網具有安全保密特點，可實現多端的分布估算，有效地減少通訊復雜度等一系列優點。
而量子密碼技術是量子通信的一個重要部份。量子密碼技術與傳統的密碼系統不同，它依賴于物理學作為安全模式的關鍵方面而不是語文。實質上，量子密碼術是基于單個光子的應用和它們固有的量子屬性開發的不可破解的密碼系統，因為在不干擾系統的情況下難以測定該系統的量子狀態。同時量子加密術在公共的通配符密碼術中又是聯接通配符交換的一種相對較容易便捷的方法。
量子通信涉及的領域主要有：量子密碼通訊、量子遠程傳態和量子密集編碼等。
量子通信的起源及發展
最早想到將量子物理用于密碼術的是英國科學家威斯納。他于1970年提出，可借助單量子態制造不可偽造的“電子美鈔”。但這個構想的實現須要長時間保存單量子態，不太現實，并沒有被人們接受，但他的研究成果開創了量子密碼的先河。
美國的科學家貝內特和美國的科學家布萊薩德于1984年第一次提出借助量子比特作為信息載體，通信雙方先形成并安全分配量子秘鑰，然后用分配好的秘鑰，以"一次一密"方式實現安全通訊。這就是知名的BB84合同。
1991年，英國牛津大學的Ekert提出了一種新的量子密鑰分發方案。這種方案是通過量子的糾纏態實現的。其安全性由貝爾不等式來判定。
1992年貝內特對他提出BB-84方案進行了更改，提出了只用兩個非正交態來實現并且效率減半的方案一B92合同，不可克隆定律為B92合同的安全性提供了保證。
1993年英國國防研究部在光纖中用相位編碼的方式實現了 BB84-QKD方案，光纖傳輸寬度達到了 10公里。等到1995年，在光纖中的傳輸距離巳經達到了30公里。
1993年，美國科學家貝內特等6位科學家，提出了一種用純量子的方式將一個粒子的量子態轉移的另一個粒子上的辦法，即量子的隱型傳態)技術。這種方式可以克服了量子信道對量子態的影響，保障了量子信息的安全性。
奧地利的安東，澤林格小組，于1997年，在實驗室第一次以實驗的方式實現了量子態隱形傳輸技術。等到2004年，該小組早已把量子隱形傳態的距離提升到了 600米。
2002年，德國和意大利研究機構成功借助激光在相距23. 4km的兩座山峰之間傳輸光子秘鑰，證實了通過近地衛星傳送量子秘鑰的可能性。
2004年，美國BNN公司在馬薩諸塞州劍橋城構建了世界首個量子密碼通訊網路并投人運行。
2004年，中國科學技術大學的潘建偉小組在國際上率先實現了五粒子糾纏態的制備，并借助五光子糾纏源成功地完成了的量子態隱形傳輸，首次實現了實時語音量子保密通信。使得在城市范圍的構建量子安全通訊網路的構想成為現實。同年，郭光燦研究小組成功實現125km光纖點對點的量子秘鑰分配。
2007年，潘建偉小組在世界上首次實現了超過100千米的光纖量子通信實驗。
2008年，歐盟成立的7節點保密通訊演示驗證網路試運行成功。
2009年，潘建偉小組實現基于光開關的主動式線路切換技術，在揚州建成世界首個可自由擴展的全同型量子通信網絡，并借助超導單光子探策器將安全通訊距離提升到200千米。
2011年在我國舉行的"十一五"重大科技成果展上，有兩項重要研究成果喚起了人們對量子通信技術的興趣與關注。它們分別是"實驗實現16公里自由空間量子隱形傳態"和"光量子信息網"。
2012年8月9日的上刊載了中國科學技術大學潘建偉、彭承志等人對量子態隱形傳輸的最新研究成果，他們在青海湖首次成功實現了百公里級的自由空間量子態隱形傳輸和單向糾纏分發。
量子通信基本理論
量子信息中引入了“量子比特”的概念，在量子信息理論中，量子信息的基本單位是量子比特，。從物理學上說，量子比特就是量子態，具有量子態的屬性，因此有很多不同于精典比特的特點。量子比特目前還沒有一個明晰的定義，其描述是要依據具體的數學特點來描述的。
現有的精典信息以比特作為信息單元，從化學角度講，比特是一個兩態系統,它可以制備為兩個可辨識狀態中的一個，如是或非，真或假，0 或1。電容器平板之間的電流可表示信息比特，,有電荷代表1，無電荷代表0。
量子比特，是兩個邏輯態的疊加。經典比特可以看成量子比特的特例(c0 = 0或c1 =0)。
量子態來表示信息是量子信息的出發點，有關信息的所有問題都必須采用量子力學理論來處理，信息的演化遵照薛定諤方程量子傳輸技術，信息傳輸就是量子態在量子通道中的傳送，信息處理(計算) 是量子態的幺正變換，信息提取便是對量子系統施行量子測量。
一個量子比特是一個雙態量子系統，即兩個線性獨立的態，常記為：|0>和 |1>。以這兩個獨立態為基矢，張成一個二維復矢量空間，即二維空間。其任意態矢Iψ>為一個二進制基本量子比特，以|0>和|1>為二維空間的基矢。
在實驗中，任何兩態的量子系統都可以拿來制備量子比特，作為量子態的載體，常見的有：光子的正交偏振態、電子或原子核的載流子、原子或量子點的基態、任何量子系統的空間模式等。
信息一旦量子化，量子力學的特點便成為量子信息的化學基礎，其主要的有：
量子通信的基本原理
將信息的所有問題都用量子力學的理論來處理：信息傳輸就是量子態在量子通道中的傳送，信息處理是量子態的幺正變換，信息提取便是對量子系統施行量子測量。
量子隱形傳態即用量子態作為信息載體，通過量子態傳送完成大容量信息的傳輸，是一種脫離實物的 “完全”的信息傳送，能夠實現原則上的完全保密。量子隱形傳態和密集編碼是量子通信中比較典型的兩種形式，,前者借助精典輔助的方式傳送未知的量子態，而后者則是借助量子信道傳送用精典比特表示的信息。
在懸疑連續劇中，常常出現這樣的場景：一個神秘的人物在某處忽然消失,而后卻在異地莫名其妙地突顯下來。隱形傳送()一詞即來源于此。遺憾的是，在精典通訊中，,這種實現隱型傳送的方式違反了量子力學的基本原理之一——不確定關系。因此長期以來，這只不過是一種科學幻想而已。
然而量子通信不僅推廣精典信息中的信源與信道等概念外,還引入了其特有的量子糾纏( )，創造了量子隱形傳態這樣一個精典通訊中不可思議的奇跡。
1993年等六位科學家提出將未知量子態的信息分為精典信息和量子信息兩部份，分別由精典信道和量子信道傳送給接受者。經典信息是發送者對原物進行某種檢測所獲得，量子信息是發送者在檢測中未提取的其余信息。
如圖所示,假設發送者Alice欲將粒子1所處的未知量子態傳送給接收者Bob，在此之前，兩者之間共享由 ，，Rosen提出的處于最大糾纏態的兩個粒子組成的對。
Alice對粒子1和她擁有的EPR粒子2施行Bell基聯合檢測(BS)，測量的結果將出現在四種可能的量子態當中的任意一個，其概率為1/4，對應于Alice不同的檢測結果，Bob的粒子3坍縮到相應的量子態上。因此,當Alice經由精典通道將她的偵測結果告Bob以后，他就可以選擇適當的幺正變換U粒子3制備到精確復制態上。
量子隱形傳態的特征是僅僅是量子態被傳送，但粒子3本身不被傳送。而在Alice檢測以后，初態已被破壞，因此這個過程不是量子克隆。
近年來人們又將注意力轉向傳送一個未知的糾纏態，就此提出了一些理論方案。
在量子隱形傳態中,實現了精典信息對量子信息的傳輸。那么，我們是否可以借助量子信道來傳送精典信息呢?
假設Alice和Bob共享處于糾纏態的一對粒子，從而構建量子通道。Alice 在四種可能的幺正變換中任選一種對其糾纏粒子A進行操作,這種作用實際上是將兩個比特的精典信息進行編碼。其后，Alice將粒子A發送給Bob,Bob通過對兩個粒子進行Bell基聯合檢測，即可確認Alice所做的變換，從而獲得2個比特的信息，,也就是說，僅僅通過傳送一個粒子便能成功地傳送2個比特的精典信息。這就是所謂的“密集編碼”。
量子通訊系統的組成
量子通訊系統的基本部件包括量子態發生器、量子通道和量子檢測裝置。
該模型包括量子信源、編碼器(量子態發生器)、信道(量子通道)、解碼器(量子測量裝置)和量子信宿幾個主要部份。
當中：量子信源是消息形成器；量子信宿是消息的接受者；量子編碼器用于把消息變換成量子比特，用量子態作為消息的載體以傳輸量子信息；量子譯碼器用于把量子信息比特轉換成消息；
信道包括量子傳輸信道和輔助信道兩個部份：量子傳輸信道就是傳輸量子訊號的通道，輔助信道是指不僅傳輸信道和檢測信道外的其他附加信道，如精典信道，圖中實線表示。在量子信道可以單獨使用，也可以與精典信道結合上去傳輸量子信息和精典信息；量子噪音是環境對量子訊號影響的等效描述。
在量子通信中，運算對象是量子比特序列，它們不但可以處于各類正交態的疊加態上，而且還可以處于糾纏態上，在基于糾纏光源的量子通訊技術中，信息的載體是糾纏光子對，利用糾纏光子對的光子狀態互相關聯來實現量子通信。
量子秘鑰的基本原理
廣泛用于網路金融行業的保密通訊系統是一種所謂的RSA私鑰體系，它的安全性基于大數因式分解這樣一類不易估算的單向函數，其原理如圖4-1所示。數學上似乎沒有嚴格證明這些秘鑰不可破譯，但現有的精典計算機幾乎難以完成這些運算。
Short算法證明，采用量子計算機可以輕而易舉地破譯這些私鑰體系。也就是說，一旦量子估算領域獲得重大突破，它所具有的特殊性能，將使現今的私鑰體系徹底地“無密可保”。
另一方面，量子通信是目前科學界公認的唯一能實現絕對安全的通訊方法，它借助量子力學的測不準原理和量子不可克隆定理，通過公開信道構建秘鑰，當事人之外的第三方根本不可能破解其密碼。其最終目標是解決通訊的絕對安全等精典通訊所存在的一系列根本性問題。
目前,量子密碼術的研究導致了人們的廣泛興趣，在理論和實驗方面均取得了重要進展。
目前，量子密碼的方案主要有以下幾種：
1、基于兩種共軛基的四態方案,其代表為BB84合同[7]。
2、基于兩個非正交的兩態方案,如BB92合同。
3、基于量子糾纏的EPR粒子對方案，稱為E91合同。
3、基于正交態的秘鑰分配方案,其基礎為正交態的不可克隆定律。
近年來，人們開始尋求一種嚴格證明量子秘鑰分配(QKD)的安全性的方式，起初的幾種證明方式都不盡如人意,甚至須要用到量子計算機。2000年， 提出了一種簡單的方案，巧妙地將糾纏純化方案和量子糾錯碼(CSS碼)結合上去，嚴格地證明了BB84方案的安全性。
量子秘鑰分配的第一個演示性實驗由等人完成。隨后，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室，,創造了目前光纖中量子密碼通訊距離的新紀錄。他們通過先進的電子手段，以B92方案成功地在歷時48km的地下光纜中傳送量子秘鑰 。自由空間中的QKD也不斷地取得突破，現在達到的傳輸距離為115km。
在上述方案中，量子密鑰是在兩點之間傳輸、建立的，因而都是點對點的傳輸系統。密鑰分配想要實用化，就必須在網路中得以實現，能夠進行一點對多點或則任意兩點之間的秘鑰傳遞。
網絡秘鑰傳輸有樹形、環狀、鏈式等多種結構，這里就其中樹形結構網路做簡略介紹。
樹狀結構網路可以用下邊的示意圖(圖4-2)簡單表示，其中S是發送端，而R1 是其中的一個接收端，O代表光纖分束器。盡管樹狀網中有很多接收端，但是因為量子秘鑰中的載體通常情況下都是單粒子態，,因而她們既不能被分流也不能被克隆。
從發送端S發送的一個單粒子只能被其中的一個接收端接收，,這相當于發送者S與這個接收端之間經歷了一個點對點的秘鑰分配系統。因此,在一系列的數據傳輸完成以后，各個單粒子態分別隨機地被某個接受端接收，最終的療效相當于發送者S與n個接收者之間分別構建一套點對點的秘鑰傳輸系統,分別構建和分配了一組秘鑰序列。建立的形式可以是現存方式中的任何一種。
關于量子保密通信，依然存在好多問題須要解決，其中包括量子秘密共享、網絡量子密碼、身份認證、數字簽名，以及近來提出的量子指紋等。這些方案的優越性在理論上早已得到否認。
量子秘鑰通訊系統組成
量子秘鑰通訊系統包括量子信源、信道和量子信宿三個主要部份，其中信道包括量子傳輸信道、量子測量信道和輔助信道三個部份。圖中的秘鑰信道是通信者之間最終將獲得的秘鑰對應的信道，是量子秘鑰分配合同的最終目標，該信道不是量子密鑰分發過程中的組成部份，圖中用實線表示。輔助信道是指不僅傳輸信道和檢測信道外的其它附加信道，如精典信道，圖中用實線表示。
通信興業宿收到的首先是消息，信息不等于消息，但包含在消息之中，因此，信息的特點往往通過消息來研究。一般來說，信源就是信息的來源，不同的信源發出的消息不同。
若信源輸出的是量子訊號，這種信源稱為量子信源。對一個信源的認識一般須要對該信源的物理描述、信源的結構與性質以及信源編碼等幾個方面有清晰的了解。
在量子信源方面對這種問題的理解和研究還不深入，很多問題有待進一步研究。參照精典信息理論，量子信源可定義為輸出特定量子符號（消息）集的量子系綜。
顯然，一旦指定量子符號集，量子信源具有確定的物理結構，因而可以用一個確定的物理形式描述量子信源。需要強調的是，量子信源不等于量子系綜，因為量子系綜包含了更多的化學屬性，而量子信源只是量子系綜化學屬性的一個方面。
信道是量子秘鑰分配合同的重要部份。信道部份包括量子傳輸信道、測量信道和輔助信道三個部份。
所謂量子傳輸信道就是量子訊號的實際傳輸路線。量子傳輸信道與精典信道類似，信道屬性依賴于信道的輸入和輸出以及描述輸入和輸出之間關系的條件機率，因此，量子傳輸信道的物理描述方式與精典傳輸信道的物理描述一樣。
但是，量子傳輸信道不同于精典傳輸信道量子傳輸技術，因為量子傳輸信道的特點深受量子物理學的約束，即信道受發射訊號的量子物理特點的強烈約束，這是由量子物理中不同于精典化學的特點所造成的。
量子通信的特征
量子通信與傳統通訊技術相比，具有如下主要特征和優勢：
1、具有極高的安全性和保密性，根據量子不可克隆定理，量子信息一經測量都會形成不可還原的改變，如果量子信息在傳輸中途被泄露，接收者必將能發覺，量子通信沒有電磁輻射，第三方難以進行無線竊聽或偵測；
2、時效性高傳輸速率快，量子通信的線路信噪比近乎為零，量子信道的信息效率相對于精典信道量子的信息效率高幾十倍，并且量子信息傳遞的過程沒有障礙，傳輸速率快；
3、抗干擾性能強，量子通信中的信息傳輸不通過傳統信道，與通訊雙方之間的傳播媒介無關，不受空間環境的影響，具有完好的抗干擾性能，同等條件下，獲得可靠通訊所需的信噪比比傳統通訊手段低30～40dB；
4、傳輸能力強，量子通信與傳播媒介無關，傳輸不會被任何障礙阻隔，量子隱形傳態通訊就能穿越大氣層，既可在太空中通訊，又可在海底通訊，還可在光纖等介質中通訊。
量子通訊技術展望
作為信息傳輸安全的解決方案，量子通信成為各國重點攻關的方向，而我國在這一領域也處于世界領先地位。國信證券研究報告稱，國內已打算將量子通信進行商用。量子通訊可能成為繼鐵路、核電外又一張國家“名片”。
目前，量子通信的基本理論和和框架早已產生，在單光子、量子偵測、量子儲存等量子通信關鍵技術獲得發展和突破條件下，各種理論體系正日趨建立，量子通信技術早已從科研階段逐漸步入試點應用階段；量子通信的絕對保密性也決定了其在軍事、國防、金融等領域有著寬廣的應用前景，隨著技術日趨建立和成熟，在未來的大眾商業市場中，量子通信將具有極大的應用潛力。