隨著現(xiàn)今世界信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)正式達到數(shù)學(xué)極限，而以量子效應(yīng)為基礎(chǔ)的量子通訊，則正在逐漸成為推動未來科技發(fā)展的重要領(lǐng)域，正式開啟一次新的技術(shù)革命。量子通訊是一種借助量子力學(xué)基本原理、量子系統(tǒng)特有屬性以及量子檢測方式來實現(xiàn)信息傳遞的通訊技術(shù)。目前量子通訊主要涉及：量子密碼通訊、量子遠程傳態(tài)和量子密集編碼等技術(shù)。最近這門學(xué)科已逐漸從理論邁向?qū)嶒?，并向?qū)嵱没粩喟l(fā)展。因為高效率和絕對安全等特性，量子通訊已成為國際上量子化學(xué)和信息科學(xué)的研究熱點。
奇妙的量子現(xiàn)象
眾所周知，人類的科技革命都得益于對客觀世界認知的進步量子通訊的原理，如第二次科技革命就是基于19世紀(jì)初電磁學(xué)領(lǐng)域的一系列重要發(fā)覺。同樣，量子通訊技術(shù)的快速發(fā)展正是基于20世紀(jì)諸多科學(xué)家對量子領(lǐng)域的不斷開拓。對量子通訊來說最重要的兩個理論基礎(chǔ)便是不確定性原理和不可克隆原理。
在微觀領(lǐng)域中，個別數(shù)學(xué)量的變化是以最小的基本單位跳躍式進行的，并不是連續(xù)的，這個最小的基本單位稱作量子，如原子、電子、光子等。一個世紀(jì)以來，人類對量子的研究已然漸漸產(chǎn)生了一門重要的學(xué)科——量子熱學(xué)。
1927年日本知名科學(xué)家海森伯提出了量子熱學(xué)的不確定性原理，它表明：一個量子的個別化學(xué)量（如位置和動量，或方位角與動量矩，還有時間和能量等），不可能同時具有確定的數(shù)值，其中一個量越確定，另一個量的不確定程度就越大。檢測一對共軛量的偏差（標(biāo)準(zhǔn)差）的乘積必然小于常數(shù)h/2π（h是普朗克常數(shù)）。它反映了微觀粒子運動的基本規(guī)律。
而量子的不可克隆則是另一條量子熱學(xué)的基本原理：量子被覺得是不可復(fù)制的。假如一枚旋轉(zhuǎn)著的硬幣是量子世界中一個物體，一旦你要復(fù)制它，勢必要對它進行檢測，這些外來的行為都會改變它的運動狀態(tài)。也就是說，任意量子的狀態(tài)，在遭到復(fù)制或檢測時，就會發(fā)生變化。換個角度說，量子一旦被檢測過，就不再是原先的那種量子了。
原子
分子
光子
以上是化學(xué)量的基本單元
在量子熱學(xué)中存在著另一重要的獨特現(xiàn)象——糾纏效應(yīng)。在量子化學(xué)中，有共同來源的兩個微觀粒子之間存在著某種糾纏關(guān)系，不管它們被分開多遠，只要一個粒子發(fā)生變化能夠立刻影響到另外一個粒子，即兩個處于糾纏態(tài)的粒子無論相距多遠，都能“感知”和影響對方的狀態(tài)，這就是量子糾纏現(xiàn)象。
雖然愛因斯坦最早注意到微觀世界中這一現(xiàn)象的存在，但卻不樂意接受它，并斥之為“幽靈般的超距作用”。他覺得宇宙的組成部份是互相獨立的，它們之間的互相作用遭到了時空的限制，是定域性的。因此，愛因斯坦與另一位科學(xué)巨人玻爾，在量子熱學(xué)的化學(xué)演繹以及相與俱來的科學(xué)哲學(xué)問題上展開了激烈對決，史稱“關(guān)于化學(xué)學(xué)靈魂的論爭”。以玻爾為代表的赫爾辛基學(xué)派覺得任何兩個物質(zhì)之間，不管距離多遠，都有可能互相影響，不受四維時空的約束，是非定域的，宇宙在冥冥之中存在深層次的內(nèi)在聯(lián)系。這場深刻的科學(xué)和哲學(xué)問題爭辯仍然持續(xù)了好多年，成為了科學(xué)發(fā)展史上的一個重大風(fēng)波。
為支持玻爾的理論，化學(xué)學(xué)家貝爾在1964年提出了知名的貝爾不方程，以論證量子化學(xué)必須遵守定域性原理。近年來，貝爾不方程已通過了各類各樣的實驗驗證，實驗所得到的結(jié)果符合量子熱學(xué)理論的預(yù)測，但是顯示個別量子效應(yīng)似乎還能以超光速行進。主流量子力學(xué)教科書也已將貝爾定律視為基礎(chǔ)數(shù)學(xué)定律。在1982年，英國化學(xué)學(xué)家阿斯佩（A.）和他的小組成功地完成了一項實驗，否認了微觀粒子“量子糾纏”的現(xiàn)象確實存在。
不可破譯的量子秘鑰
隨著信息技術(shù)的持續(xù)、快速發(fā)展，人們早已越來越多地依賴通訊網(wǎng)路進行工作和生活，大量敏感信息須要通過通訊網(wǎng)路傳播，人們須要對自己的信息進行保護以免被泄露或篡改，密碼學(xué)為人們提供了這種的保證。但是當(dāng)前普遍使用的以物理為基礎(chǔ)的密碼體制一直存在著被破譯的風(fēng)險。隨著密碼學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家們提出了量子密碼的概念，并把它成功地應(yīng)用于通訊系統(tǒng)中。與往年的密碼體制不同，量子密碼以量子熱學(xué)中的不確定性原理和不可克隆原理為基礎(chǔ)，用量子狀態(tài)來作為信息加密和揭秘的秘鑰——量子秘鑰。量子通訊過程中假如存在監(jiān)聽或則對信息的復(fù)制，就是一種檢測行為。通過這兩個量子熱學(xué)的基本原理可知，監(jiān)聽者永遠沒法測得量子體系的全部信息并獲得復(fù)制品，也難以掩藏監(jiān)聽行為的存在。因而從理論上講，量子通訊是絕對安全的。
愛因斯坦與玻爾關(guān)于“物理學(xué)靈魂”的論爭玻爾所代表的赫爾辛基學(xué)派覺得世界任何物質(zhì)的存在都是一種機率，例如一個量子可以以一定幾率處于任何狀態(tài)，對其檢測造成了機率的塌縮。檢測如同擲色子一樣，檢測的結(jié)果哪些可能都有，但又有一定幾率。愛因斯坦所代表的精典學(xué)派則覺得，我們的世界是一種客觀存在，是確定的，并不應(yīng)當(dāng)是一種機率，他覺得“上帝是不會擲色子的”。從某種意義上來說這張圖抒發(fā)了兩種思想的矛盾。
在以量子糾纏效應(yīng)為基礎(chǔ)的量子通訊中，科學(xué)家們巧妙地借助了量子糾纏現(xiàn)象實現(xiàn)了秘鑰的制做，即通訊雙方密碼本的制備。在即將通訊前，通訊雙方事先儲備了大量的糾纏粒子對。當(dāng)通訊一方對自己那邊的糾纏粒子進行一定操作時，通訊另一端處于糾纏狀態(tài)的粒子都會有相應(yīng)的反應(yīng)，通信雙方便可以借助這些“感知”，構(gòu)建起默契，制做出通訊所需的秘鑰。
另一種形成量子秘鑰的方式，則是被叫做BB84的方案。兩位科學(xué)家貝內(nèi)特（C.H.）和布拉薩德（G.）在威斯納（S.）的電子美鈔啟發(fā)下，于1984年提出了這個量子密碼分配合同，后來被命名為BB84方案。該分配方案借助單個光子來攜帶一個比特的信息，按照量子的不可分割性，這一個比特的信息也是不可分的，也就難以用分流訊號的辦法來監(jiān)聽。而光子的多個化學(xué)量都可以拿來攜帶這一個比特的信息，比如光子的偏振光態(tài)。每位光子都有一個偏振光方向，且光子的線偏振光和圓偏振光又不可同時檢測，這樣便可以有效地借助不確定性及不可克隆原理來實現(xiàn)秘鑰分配。
BB84方案為兩個遙遠的用戶之間構(gòu)建無條件安全的量子秘鑰提供了一個強有力的途徑。但是在實際應(yīng)用中，理想的單個光子仍未實用化?，F(xiàn)今量子秘鑰分配方案中常見的光源為激光光源，其量子態(tài)為相干態(tài)——多個光子具有相同的量子態(tài)。假如采用富含多光子的光源進行秘鑰分發(fā)，將會存在安全性隱患。監(jiān)聽者可以采用光子數(shù)分離功擊的方式來恐嚇密碼的安全性。監(jiān)聽者可以對通訊一方發(fā)射的光子數(shù)進行檢測，假如光子數(shù)等于1，則吸收該光子；假如光子數(shù)小于1，監(jiān)聽者則從中分離一個光子給自己，再將剩余的光子發(fā)射給通訊接收一方，因而實現(xiàn)監(jiān)聽。引誘態(tài)量子密碼方案，則是用于抵抗這些分束功擊的有效方式。其基本原理是發(fā)送方隨機地使用兩個波長、線寬等化學(xué)常數(shù)都相同，只有硬度不同的弱相干態(tài)光源。其中一個稱為訊號態(tài)，用于量子秘鑰分配，另一個稱為引誘態(tài)，用于偵測監(jiān)聽者的存在，因為兩個態(tài)的比列是確定的，一旦有人進行光子數(shù)分離攻擊，兩個態(tài)的比列都會發(fā)生變化，因而發(fā)覺被監(jiān)聽。這些技巧在量子通訊的同時，實現(xiàn)了對通訊信道安全的實時監(jiān)控，因而保證了安全。
量子通訊的實現(xiàn)歷程
量子通訊可有效對抗監(jiān)聽行為
通過BB84方案或是量子糾纏效應(yīng)，通訊雙方就可以獲得用于對通訊信息進行加密的秘鑰。因為環(huán)境噪音和監(jiān)聽者的存在，量子通訊還須要量子傳輸、數(shù)據(jù)篩選、數(shù)據(jù)糾錯、保密提高四個過程。
一般一個典型的量子通訊系統(tǒng)的實現(xiàn)可以大致這樣描述：發(fā)送者制備須要傳遞的明文，使用通過量子秘鑰分配（或則其他的方式）獲得的秘鑰加密明文，獲得編碼后的密文。密文經(jīng)通訊介質(zhì)發(fā)送給接收者。接收者通過偵測接收到密文后，借助此前獲得的秘鑰進行揭秘，得到明文，最后解碼獲得相關(guān)信息。依此便可實現(xiàn)量子通訊。
可以借助量子糾纏形成通訊秘鑰
為了讓量子通訊從理論走到現(xiàn)實，從２0世紀(jì)末開始，國外眼科學(xué)家做了大量的研究工作。自1993年日本IBM公司的研究人員提出量子通訊理論以來，韓國國家科學(xué)基金會和國防中級研究計劃署都對此項目進行了深入的研究；歐共體在1999年開始集中國際力量旨在于量子通訊的研究，研究項目已多達12個；臺灣郵政省更是把量子通訊作為21世紀(jì)的戰(zhàn)略項目；我國從1980年代開始從事量子光學(xué)領(lǐng)域的研究，近幾年來，中國科技學(xué)院的量子研究小組在量子通訊方面也已取得了突出的成績。
2002年10月5日，美國蘇黎世學(xué)院和美國美軍下屬的研究機構(gòu)合作，在美國和加拿大邊境相距23.4公里的楚格峰和卡爾文德爾峰之間用激光成功傳輸了光子秘鑰。
2003年，美國、中國、加拿大等國學(xué)者提出了引誘態(tài)量子密碼理論方案，徹底解決了真實系統(tǒng)和現(xiàn)有技術(shù)條件下量子通訊的安全速度隨距離降低而嚴重下滑的問題。
2004年6月3日，新加坡BBN技術(shù)公司構(gòu)建了6節(jié)點量子密碼通訊網(wǎng)路。
2006年夏,中國科技學(xué)院量子研究小組、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室、歐洲蘇黎世學(xué)院-維也納學(xué)院聯(lián)合研究小組各自獨立實現(xiàn)了引誘態(tài)方案，同時實現(xiàn)了超過100公里的引誘態(tài)量子秘鑰分發(fā)實驗，由此打開了量子通訊邁向應(yīng)用的房門。
2008年年末，我國成功研發(fā)了基于引誘態(tài)的光纖量子通訊原型系統(tǒng)，在揚州成功成立了世界上首個3節(jié)點支鏈光量子電話網(wǎng)，成為國際上報導(dǎo)的絕對安全的實用化量子通訊網(wǎng)路實驗研究的兩個團隊之一。
2009年9月，我國又在3節(jié)點支鏈光量子電話網(wǎng)的基礎(chǔ)上，建成了世界上首個全通型量子通訊網(wǎng)路，首次實現(xiàn)了實時語音量子保密通訊。這一成果在同類產(chǎn)品中高踞國際先進水平，標(biāo)志著中國在城域量子網(wǎng)路關(guān)鍵技術(shù)方面早已達到了產(chǎn)業(yè)化要求。
2010年9月，中國科技學(xué)院、中科院武漢技術(shù)化學(xué)研究所、中科院光電研究所等量子通訊研究團隊強強合作，在西藏河畔實現(xiàn)了世界上首次浮空平臺和衛(wèi)星運動模擬的量子秘鑰分配實驗，這也標(biāo)志我國已突破了構(gòu)建星地量子通訊的關(guān)鍵技術(shù)，為將來實現(xiàn)全球量子通訊網(wǎng)路打下了堅實的基礎(chǔ)。
星地量子通訊的“中國夢”
目前，量子通訊系統(tǒng)的應(yīng)用研究基于傳輸介質(zhì)的不同主要有兩種，即光纖和自由空間的量子通訊。
以光纖為依托，融激光技術(shù)、光纖技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等為一體的，以交互方法傳遞信息數(shù)據(jù)的“信息高速道路”已經(jīng)廣泛使用，相關(guān)技術(shù)早已比較成熟，這種都為進行基于光纖的量子通訊提供了有利條件?，F(xiàn)在光纖量子通訊的研究成果早已接近于實際應(yīng)用，可以預(yù)見在近來幾年內(nèi)光纖量子通訊系統(tǒng)就才能應(yīng)用于實際的保密通訊中。并且因為月球曲率的影響和光纖耗損的降低，在地面施行遠距離量子通訊很困難，如光纖中的光子衰減問題，致使糾纏態(tài)的兩點之寬度離最多只有100公里。而光子在自由空間中傳輸可大大突破這些傳輸距離限制，因而星地量子通訊成為一種更好的選擇。
星地自由空間的量子通訊
要在廣袤的宇宙中實現(xiàn)衛(wèi)星與地面之間的量子通訊，首先要通過一個捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)（and,ATP）系統(tǒng)構(gòu)建起量子秘鑰分配所需的通訊信道。而為星地激光通訊發(fā)展上去的光學(xué)定位、探測和跟蹤等技術(shù)因此提供了技術(shù)上的支持。秘鑰分配的通訊鏈路完善以后，通訊系統(tǒng)借助單光子偏振光態(tài)加載信息，按照相應(yīng)的量子秘鑰分配合同，便可在通訊兩端形成絕對安全、無法監(jiān)聽的共享秘鑰。明文借此秘鑰加載，就可以通過精典信道進行傳輸，進而實現(xiàn)星地間的量子通訊。通過衛(wèi)星這個載體，不但才能實現(xiàn)星地的量子通訊，并且還能實現(xiàn)全球任意點對點的量子通訊。
為應(yīng)對自由空間量子通訊領(lǐng)域內(nèi)激烈的國際競爭，中國科大學(xué)于2008年啟動了知識創(chuàng)新工程重大項目——空間尺度量子實驗關(guān)鍵技術(shù)研究與驗證試驗。在隨后的5年時間里，整個科研團隊在潘建偉教授領(lǐng)導(dǎo)下，經(jīng)過不懈努力，早已取得了多項重要進展。如：成功研發(fā)了星載量子通訊所需的ATP系統(tǒng)樣機，提出了完整的星地量子通訊系統(tǒng)方案，攻破了星地量子通訊的核心關(guān)鍵技術(shù)，并在美麗的西藏河畔順利完成了世界上首次浮空平臺量子秘鑰分發(fā)試驗、百公里單向量子糾纏分發(fā)試驗、百公里量子隱型傳態(tài)試驗等。在項目執(zhí)行期間，研究團隊共發(fā)表論文幾十篇，其中多篇論文發(fā)布在《自然》周刊或其子刊、《美國科大學(xué)院刊》、《物理評論快報》等國際性學(xué)術(shù)期刊上。更為重要的是該項目為我國在空間量子通訊領(lǐng)域培養(yǎng)了一支優(yōu)秀并且年青的隊伍，為我國在該領(lǐng)域內(nèi)的長遠發(fā)展和保持國際領(lǐng)先地位奠定了堅實基礎(chǔ)。
綜觀世界，如今已有多個國家舉辦了將量子通訊應(yīng)用于衛(wèi)星平臺的計劃，我們國家對此也是雄心勃勃，中國科大學(xué)捉住機遇，開始施行量子科學(xué)衛(wèi)星計劃。目前計劃在2016年左右，以我們國家為主導(dǎo)發(fā)射一顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，就能實現(xiàn)從上海到山西，乃至國際上其他站點之間的量子通訊網(wǎng)路。這也是中國科大學(xué)空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項中首批確定的五顆科學(xué)實驗衛(wèi)星之一，該項目就能提供一個衛(wèi)星與地面間遠距離量子科學(xué)實驗的平臺量子通訊的原理，并在此平臺上完成空間大尺度量子科學(xué)實驗。
回顧我國科研工作者在量子通訊領(lǐng)域內(nèi)的多年付出，可以驚訝地看見中國正在該領(lǐng)域漸次崛起。正如《自然》周刊的評論：“中國在量子通訊領(lǐng)域內(nèi)，已從六年前不起眼的國家發(fā)展為現(xiàn)今的世界勁旅，并將領(lǐng)先于亞洲和北美?！币驗闅v史上的種種緣由，中國早已錯失了前四次科技革命帶來的機遇，在第五次科技革命中，中國也只是一個跟蹤者，并且是一個沒有取得優(yōu)良成績的跟蹤者。面對將要到來的新改革，我輩自當(dāng)奮發(fā)圖強，捉住機遇實現(xiàn)宏偉的“中國夢”，在歷史上寫下屬于自己的華麗篇章，真正實現(xiàn)跨越式的發(fā)展，讓光子舞動于空曠的宇宙空間。