星地量子通信的原理與實現(xiàn)歷程及其應(yīng)用分析

隨著當(dāng)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)即將達到物理極限，而以量子效應(yīng)為基礎(chǔ)的量子通信，則正在逐步成為引領(lǐng)未來科技發(fā)展的重要領(lǐng)域，即將開啟一次新的技術(shù)革命。量子通信是一種利用量子力學(xué)基本原理、量子系統(tǒng)特有屬性以及量子測量方法來實現(xiàn)信息傳遞的通信技術(shù)。目前量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠程傳態(tài)和量子密集編碼等技術(shù)。近來這門學(xué)科已逐步從理論走向?qū)嶒灒⑾驅(qū)嵱没粩喟l(fā)展。由于高效率和絕對安全等特點，量子通信已成為國際上量子物理和信息科學(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，如第二次科技革命就是基于19世紀初電磁學(xué)領(lǐng)域的一系列重要發(fā)現(xiàn)。同樣，量子通信技術(shù)的快速發(fā)展正是基于20世紀眾多科學(xué)家對量子領(lǐng)域的不斷開拓。對量子通信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，某些物理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叫做量子，如原子、電子、光子等。一個世紀以來，人類對量子的研究已經(jīng)逐漸形成了一門重要的學(xué)科——量子力學(xué)。

1927年德國著名科學(xué)家海森伯提出了量子力學(xué)的不確定性原理，它表明：一個量子的某些物理量（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。測量一對共軛量的誤差（標(biāo)準(zhǔn)差）的乘積必然大于常數(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力學(xué)的基本原理：量子被認為是不可復(fù)制的。如果一枚旋轉(zhuǎn)著的硬幣是量子世界中一個物體，一旦你要復(fù)制它，勢必要對它進行測量，這種外來的行為就會改變它的運動狀態(tài)。也就是說，任意量子的狀態(tài)，在受到復(fù)制或測量時，都會發(fā)生變化。換個角度說，量子一旦被測量過，就不再是原來的那個量子了。

原子

分子

光子

以上是物理量的基本單元

在量子力學(xué)中存在著另一重要的奇特現(xiàn)象——糾纏效應(yīng)。在量子物理中，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)生變化就能立即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。

盡管愛因斯坦最早注意到微觀世界中這一現(xiàn)象的存在，但卻不愿意接受它，并斥之為“幽靈般的超距作用”。他認為宇宙的組成部分是相互獨立的，它們之間的相互作用受到了時空的限制，是定域性的。為此，愛因斯坦與另一位科學(xué)巨人玻爾，在量子力學(xué)的物理詮釋以及相與俱來的科學(xué)哲學(xué)問題上展開了激烈交鋒，史稱“關(guān)于物理學(xué)靈魂的論戰(zhàn)”。以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派認為任何兩個物質(zhì)之間，不管距離多遠，都有可能相互影響，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)問題爭論一直持續(xù)了很多年，成為了科學(xué)發(fā)展史上的一個重大事件。

為支持玻爾的理論，物理學(xué)家貝爾在1964年提出了著名的貝爾不等式，以論證量子物理必須違背定域性原理。近些年來，貝爾不等式已通過了各種各樣的實驗驗證，實驗所得到的結(jié)果符合量子力學(xué)理論的預(yù)測，并且顯示某些量子效應(yīng)貌似能夠以超光速行進。主流量子力學(xué)教科書也已將貝爾定理視為基礎(chǔ)物理定理。在1982年，法國物理學(xué)家阿斯佩（A. Aspect）和他的小組成功地完成了一項實驗，證實了微觀粒子“量子糾纏”的現(xiàn)象確實存在。

不可破譯的量子密鑰

隨著信息技術(shù)的持續(xù)、快速發(fā)展，人們已經(jīng)越來越多地依賴通信網(wǎng)絡(luò)進行工作和生活，大量敏感信息需要通過通信網(wǎng)絡(luò)傳播，人們需要對自己的信息進行保護以免被竊取或篡改，密碼學(xué)為人們提供了此類的保證。然而當(dāng)前普遍使用的以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的密碼體制始終存在著被破譯的風(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)用于通信系統(tǒng)中。與以往的密碼體制不同，量子密碼以量子力學(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)來作為信息加密和解密的密鑰——量子密鑰。量子通信過程中如果存在竊聽或者對信息的復(fù)制，就是一種測量行為。通過這兩個量子力學(xué)的基本原理可知，竊聽者永遠無法測得量子體系的全部信息并獲得復(fù)制品，也無法掩蓋竊聽行為的存在。因此從理論上講，量子通信是絕對安全的。

愛因斯坦與玻爾關(guān)于“物理學(xué)靈魂”的論戰(zhàn)玻爾所代表的哥本哈根學(xué)派認為世界任何物質(zhì)的存在都是一種概率，比如一個量子可以以一定概率處于任何狀態(tài)，對其測量導(dǎo)致了概率的塌縮。測量就像擲骰子一樣，測量的結(jié)果什么可能都有，但又有一定概率。愛因斯坦所代表的經(jīng)典學(xué)派則認為，我們的世界是一種客觀存在，是確定的，并不應(yīng)該是一種概率，他認為“上帝是不會擲骰子的”。從某種意義上來說這張圖表達了兩種思想的矛盾。

在以量子糾纏效應(yīng)為基礎(chǔ)的量子通信中，科學(xué)家們巧妙地利用了量子糾纏現(xiàn)象實現(xiàn)了密鑰的制作，即通信雙方密碼本的制備。在正式通信前，通信雙方事先儲備了大量的糾纏粒子對。當(dāng)通信一方對自己這邊的糾纏粒子進行一定操作時，通信另一端處于糾纏狀態(tài)的粒子就會有相應(yīng)的反應(yīng)，通信雙方便可以利用這種“感知”，建立起默契，制作出通信所需的密鑰。

另一種產(chǎn)生量子密鑰的方法，則是被稱作BB84的方案。兩位科學(xué)家貝內(nèi)特（C. H. Bennett）和布拉薩德（G. Brassard）在威斯納（S. Wiesner）的電子鈔票啟發(fā)下，于1984年提出了這個量子密碼分配協(xié)議，后來被命名為BB84方案。該分配方案利用單個光子來攜帶一個比特的信息，根據(jù)量子的不可分割性，這一個比特的信息也是不可分的，也就無法用分流信號的辦法來竊聽。而光子的多個物理量都可以用來攜帶這一個比特的信息，例如光子的偏振態(tài)。每個光子都有一個偏振方向，且光子的線偏振和圓偏振又不可同時測量，這樣便可以有效地利用不確定性及不可克隆原理來實現(xiàn)密鑰分配。

BB84方案為兩個遙遠的用戶之間建立無條件安全的量子密鑰提供了一個強有力的途徑。然而在實際應(yīng)用中，理想的單個光子尚未實用化?，F(xiàn)在量子密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)。如果采用含有多光子的光源進行密鑰分發(fā)，將會存在安全性隱患。竊聽者可以采用光子數(shù)分離攻擊的方法來威脅密碼的安全性。竊聽者可以對通信一方發(fā)射的光子數(shù)進行測量，如果光子數(shù)等于1，則吸收該光子；如果光子數(shù)大于1，竊聽者則從中分離一個光子給自己，再將剩余的光子發(fā)射給通信接收一方，從而實現(xiàn)竊聽。誘騙態(tài)量子密碼方案，則是用于抵抗這種分束攻擊的有效方法。其基本原理是發(fā)送方隨機地使用兩個波長、線寬等物理常數(shù)都相同，只有強度不同的弱相干態(tài)光源。其中一個稱為信號態(tài)，用于量子密鑰分配，另一個稱為誘騙態(tài)，用于探測竊聽者的存在，由于兩個態(tài)的比例是確定的，一旦有人進行光子數(shù)分離攻擊，兩個態(tài)的比例就會發(fā)生變化，從而發(fā)現(xiàn)被竊聽。這種方法在量子通信的同時，實現(xiàn)了對通信信道安全的實時監(jiān)控，從而保證了安全。

量子通信的實現(xiàn)歷程

量子通信可有效對抗竊聽行為

通過BB84方案或是量子糾纏效應(yīng)，通信雙方就可以獲得用于對通信信息進行加密的密鑰。由于環(huán)境噪聲和竊聽者的存在，量子通信還需要量子傳輸、數(shù)據(jù)篩選、數(shù)據(jù)糾錯、保密增強四個過程。

通常一個典型的量子通信系統(tǒng)的實現(xiàn)可以大致這樣描述：發(fā)送者制備需要傳遞的明文，使用通過量子密鑰分配（或者其他的方法）獲得的密鑰加密明文，獲得編碼后的密文。密文經(jīng)通信介質(zhì)發(fā)送給接收者。接收者通過探測接收到密文后，利用此前獲得的密鑰進行解密，得到明文，最后解碼獲得相關(guān)信息。依此便可實現(xiàn)量子通信。

可以利用量子糾纏產(chǎn)生通信密鑰

為了讓量子通信從理論走到現(xiàn)實，從２0世紀末開始，國內(nèi)外科學(xué)家做了大量的研究工作。自1993年美國IBM公司的研究人員提出量子通信理論以來，美國國家科學(xué)基金會和國防高級研究計劃署都對此項目進行了深入的研究；歐盟在1999年開始集中國際力量致力于量子通信的研究，研究項目已多達12個；日本郵政省更是把量子通信作為21世紀的戰(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，中國科技大學(xué)的量子研究小組在量子通信方面也已取得了突出的成績。

2002年10月5日，德國慕尼黑大學(xué)和英國軍方下屬的研究機構(gòu)合作，在德國和奧地利邊境相距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密鑰。

2003年，韓國、中國、加拿大等國學(xué)者提出了誘騙態(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)條件下量子通信的安全速率隨距離增加而嚴重下降的問題。

2004年6月3日，美國BBN技術(shù)公司建立了6節(jié)點量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)。

2006年夏,中國科技大學(xué)量子研究小組、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室、歐洲慕尼黑大學(xué)-維也納大學(xué)聯(lián)合研究小組各自獨立實現(xiàn)了誘騙態(tài)方案，同時實現(xiàn)了超過100公里的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)實驗，由此打開了量子通信走向應(yīng)用的大門。

2008年年底，我國成功研制了基于誘騙態(tài)的光纖量子通信原型系統(tǒng)，在合肥成功組建了世界上首個3節(jié)點鏈狀光量子電話網(wǎng)，成為國際上報道的絕對安全的實用化量子通信網(wǎng)絡(luò)實驗研究的兩個團隊之一。

2009年9月，我國又在3節(jié)點鏈狀光量子電話網(wǎng)的基礎(chǔ)上，建成了世界上首個全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，首次實現(xiàn)了實時語音量子保密通信。這一成果在同類產(chǎn)品中位居國際先進水平，標(biāo)志著中國在城域量子網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)方面已經(jīng)達到了產(chǎn)業(yè)化要求。

2010年9月，中國科技大學(xué)、中科院上海技術(shù)物理研究所、中科院光電研究所等量子通信研究團隊強強合作，在青海湖畔實現(xiàn)了世界上首次浮空平臺和衛(wèi)星運動模擬的量子密鑰分配實驗，這也標(biāo)志我國已突破了建立星地量子通信的關(guān)鍵技術(shù)，為將來實現(xiàn)全球量子通信網(wǎng)絡(luò)打下了堅實的基礎(chǔ)。

星地量子通信的“中國夢”

目前，量子通信系統(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信。

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，以交互方式傳遞信息數(shù)據(jù)的“信息高速公路”已經(jīng)廣泛使用，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，這些都為進行基于光纖的量子通信提供了有利條件。如今光纖量子通信的研究成果已經(jīng)接近于實際應(yīng)用，可以預(yù)見在最近幾年內(nèi)光纖量子通信系統(tǒng)就能夠應(yīng)用于實際的保密通信中。但是由于地球曲率的影響和光纖損耗的增加，在地面實施遠距離量子通信很困難，如光纖中的光子衰減問題，使得糾纏態(tài)的兩點之間距離最多只有100公里。而光子在自由空間中傳輸可大大突破這種傳輸距離限制，因此星地量子通信成為一種更好的選擇。

星地自由空間的量子通信

要在浩瀚的宇宙中實現(xiàn)衛(wèi)星與地面之間的量子通信，首先要通過一個捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)（acquisition tracking and pointing, ATP）系統(tǒng)建立起量子密鑰分配所需的通信信道。而為星地激光通信發(fā)展起來的光學(xué)定位、探測和跟蹤等技術(shù)為此提供了技術(shù)上的支持。密鑰分配的通信鏈路建立之后，通信系統(tǒng)利用單光子偏振態(tài)加載信息，根據(jù)相應(yīng)的量子密鑰分配協(xié)議，便可在通信兩端產(chǎn)生絕對安全、無法竊聽的共享密鑰。明文以此密鑰加載，就可以通過經(jīng)典信道進行傳輸，從而實現(xiàn)星地間的量子通信。通過衛(wèi)星這個載體，不但能夠?qū)崿F(xiàn)星地的量子通信，而且能夠?qū)崿F(xiàn)全球任意點對點的量子通信。

為應(yīng)對自由空間量子通信領(lǐng)域內(nèi)激烈的國際競爭，中國科學(xué)院于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。在此后的5年時間里，整個科研團隊在潘建偉院士領(lǐng)導(dǎo)下，經(jīng)過不懈努力，已經(jīng)取得了多項重要進展。如：成功研制了星載量子通信所需的ATP系統(tǒng)樣機，提出了完整的星地量子通信系統(tǒng)方案，攻克了星地量子通信的核心關(guān)鍵技術(shù)，并在美麗的青海湖畔順利完成了世界上首次浮空平臺量子密鑰分發(fā)試驗、百公里雙向量子糾纏分發(fā)試驗、百公里量子隱形傳態(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、《美國科學(xué)院院刊》、 《物理評論快報》等國際性學(xué)術(shù)刊物上。更為重要的是該項目為我國在空間量子通信領(lǐng)域培養(yǎng)了一支優(yōu)秀而且年輕的隊伍，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)。

縱觀世界，現(xiàn)在已有多個國家開展了將量子通信應(yīng)用于衛(wèi)星平臺的計劃，我們國家對此也是雄心勃勃，中國科學(xué)院抓住機遇，開始實施量子科學(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，能夠?qū)崿F(xiàn)從北京到新疆，乃至國際上其他站點之間的量子通信網(wǎng)絡(luò)。這也是中國科學(xué)院空間科學(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，該項目能夠提供一個衛(wèi)星與地面間遠距離量子科學(xué)實驗的平臺，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信領(lǐng)域內(nèi)的多年付出，可以欣慰地看到中國正在該領(lǐng)域悄然崛起。正如《自然》周刊的評論：“中國在量子通信領(lǐng)域內(nèi)，已從十年前不起眼的國家發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，并將領(lǐng)先于歐洲和北美。”因為歷史上的種種原因，中國已經(jīng)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，而且是一個沒有取得優(yōu)良成績的跟蹤者。面對即將到來的新變革，我輩自當(dāng)奮發(fā)圖強，抓住機遇實現(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，讓光子舞動于廣袤的宇宙空間。