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　　文｜陳根

　　從貝爾實驗室開始，到硅谷的崛起，再到電子計算機和遍布全球的互聯網，人類文明正在一步一步地全面進入信息時代。不過，目前的常規通信多采用加密技術解決安全通信問題。但密碼總存在被破譯的可能，尤其是在量子計算出現以后，采用并行運算，對當前的許多密碼進行破譯幾乎易如反掌。

　　可以說，如今，信息傳輸，已經從“如何傳輸”，走入了“如何安全傳輸”的時代，而量子通信正是這一段信息革命的直接繼承者——當前，基于量子密鑰分發與經典對稱密碼算法相結合的量子通信技術正在對計算、通信領域產生重大影響，并越來越成為信息時代的支持力量。

　　是什么支撐了“量子通信”？

　　上世紀中葉，人類以量子力學為基礎開始認識和利用微觀物理規律，推動產生了激光器、半導體和原子能等具有劃時代意義的重大科技突破。進入二十一世紀，量子技術更是與信息技術深度融合，第二次“量子革命”正在到來。作為量子革命的重要組成部分，所謂“量子通信”就是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式。

　　當前，我們已經知道，量子有許多經典物理所沒有的奇妙特性，量子糾纏就是其中突出的特性之一。在了解量子糾纏以前，一個更為人們所熟悉的現象，其實是“心靈感應”。簡單來說，就是兩個相距遙遠的陌生人不約而同地想做同一件事，好像互相的心靈之間能夠感應到對方的存在。

　　與“心靈感應”相類似，量子力學研究發現，宇宙中任何一個粒子都有“雙胞胎”，二者即使隔開整個宇宙的距離，也仍然一直保持同步同樣的變化。一對粒子同步同樣變化的狀態，就是量子糾纏態。處于量子糾纏的兩個粒子，無論分離多遠，它們之間都存在一種神秘的關聯，只要一個粒子的狀態發生變化，就能立即使另一個粒子的狀態發生相應變化。也就是說，我們可以通過測量其中一個粒子的狀態來得知另一個的信息。

　　量子的另一個奇妙特性是量子具有測量的隨機性和不可克隆的屬性——任何的測量都會破壞量子的本來狀態。從測量的隨機性來看，在量子力學里，光子可以朝著某個方向進行振動，這就叫作偏振。因為量子疊加，一個光子可以同時處在水平偏振和垂直偏振兩個量子狀態的疊加態。這時，如果我們拿一個儀器在這兩個方向上進行測量，就會發現每次測量都只會得到其中一個結果：要么是水平的，要么是垂直的。測量的結果完全隨機。

　　并且，在日常的宏觀世界里，一個物體的速度和位置，一般是可以同時準確測定的。比如，我們要測量一架飛機，雷達就可以把飛機的速度、位置都準確測定。然而，在量子世界，測量卻會破壞或改變量子的狀態。如果我們把一個量子的位置測準了，它的速度就無法再測準。既然測量量子的狀態會出現隨機的結果，那么人們自然也無法對一個不知道其狀態的量子進行復制。

　　在量子糾纏的特性以及量子測量的隨機性和不可克隆的特性下，量子通信也就保證了安全。在量子密碼共享或量子態傳遞過程中，如果有人竊聽，它的狀態就會因竊聽（測量）發生改變，密碼接收的誤碼率會明顯增加，從而引起發送者和接收者的警覺，而停止該信道的發送。

　　并且，由于量子具有測量的隨機性和不可復制的特性，因此幾乎不可能被破譯，因為傳統通信的密鑰都是基于非常復雜的數學算法，只要是通過算法加密的，人們就可以通過計算進行破解。而量子通信則可以做到很安全，不被破譯和竊聽，這在數學上已經獲得了嚴格的證明。

　　可以說，作為新一代通信技術，量子通信為信息提供無法被竊聽、無法計算破解的絕對安全保障。

　　天地一體的廣域量子網絡

　　如前所述，我們已經知道，量子通信是使用量子態攜帶所要傳送的信息，并把量子糾纏作為信道，將該量子態從A地傳送到B第的一種通信方式。另外，量子通信按其所傳輸的信息是經典還是量子又被分為兩類，即量子密鑰分發（QKD）和量子態隱形傳輸（QT）。

　　其中，量子密匙分發就在信息收發雙方進行安全的密匙共享，借助一次一密的加密方式實現雙方的安全通信。利用量子的不可測性和不可克隆性，從而實現信息的不可竊聽，這首先需要在收發雙方間實現無法被竊聽的安全密鑰共享，之后再與傳統保密通信技術相結合完成經典信息的加解密和安全傳輸。

　　量子態隱形傳輸則是基于量子糾纏態的分發與量子聯合測量實現量子態信息的直接傳輸，在量子信息的轉移過程中不移動信息載體本身。同經典通信相類似，遠距離量子通信會出現糾纏減弱。因此，量子態隱形傳輸還需要建立量子中繼以保證量子通信通暢。

　　美國最早開始了量子通信的研究，20世紀末，美國政府就將量子信息列為“保持國家競爭力”計劃的重點支持課題，隸屬于政府的美國國家標準與技術研究所（NIST）將量子信息作為三個重點研究方向之一。在政府的支持下，美國量子通信產業化的發展也較為迅速。

　　1989年，IBM公司在實驗室中以10bps的傳輸速率成功實現了世界上第一個量子信息傳輸實驗，雖然傳輸距離只有短短的32m，但卻拉開了量子通信實驗的序幕。2003年，美國國防部高級研究計劃署在BBN實驗室、哈佛大學和波士頓大學之間建立了DAPRA量子通信網絡，這也是世界上首個量子密碼通信網絡。

　　該網絡最初由6個量子密鑰分發（QKD）節點，后擴充至10個，最遠通信距離達到29km。2006年，Los Alamos 國家實驗室又基于誘騙態方案實現了安全傳輸距離達107km的光纖量子通信實驗。2009年，美國政府發布的信息科學白皮書中明確要求，各科研機構協作開展量子信息技術研究。

　　2016年4月，美國國家科學基金會（NSF）將“量子躍遷-下一代量子革命”列為六大科研前沿之一。2016年8月，NSF對6個跨學科研究團隊給予了 1200萬美元資助，用于進一步推動量子安全通信技術的發展。2016年9月，NSF發布2017年研究與創新新興前沿項目（EFRI）的招標文件，著重解決基礎工程挑戰，開發芯片級的設備和系統，為實用化的量子存儲和中繼器的研制做準備，目標是實現可擴展的廣域量子通信和應用。

　　過令人欣慰的是，今天中國在量子通信領域已經毫無疑問地達到了世界頂尖水平，尤以中科大的潘建偉、郭光燦等小組最為有名。2016年，中國發射了世界首顆量子通信衛星“墨子號”，成為轟動一時的大新聞。“墨子號”首次實現了衛星與地面之間量子通信連接。

　　不過，發射衛星只是一個起點，在“宏偉量子大廈”中，量子“京滬干線”隨后也飛速搭建了起來。2017年世界首條量子保密通信干線——“京滬干線”正式開通，量子“京滬干線”總長2000多千米，有望在2030年左右，能建成全球化的廣域量子通信網絡，并在量子計算領域有所作為。

　　可以說，目前，在市場應用不斷突破下，天地一體的廣域量子網絡已經指日可待。

　　量子通信是經典通信代替嗎？

　　目前，隨著量子通信的發展與進步，保密措施變得越來越復雜、越來越可靠。人類也在致力于將量子保密通信向更遠距離和更大規模的廣域網絡發展。

　　比如，量子通信就對軍事、國防、金融等領域的信息安全有著重大的潛在應用價值和發展前景。在國防和軍事領域，量子通信能夠應用于通信密鑰生成與分發系統，向未來戰場覆蓋區域內任意兩個用戶分發量子密鑰，構成作戰區域內機動的安全軍事通信網絡。量子通信不僅可用于軍事、國防等領域的國家級保密通信，還可用于涉及秘密數據、票據的政府、電信、證券、保險、銀行、工商、地稅、財政等領域和部門。

　　此外，量子通信還能夠應用于信息對抗，改進軍用光網信息傳輸保密性，提高信息保護和信息對抗能力；并能夠應用于深海安全通信，為遠洋深海安全通信開辟了嶄新途徑；利用量子隱形傳態以及量子通信絕對安全性、超大信道容量、超高通信速率、遠距離傳輸和信息高效率等特點，將建立滿足軍事特殊需求的軍事信息網絡，為國防和軍事贏得先機。

　　而在國民經濟領域，量子通信則可用于金融機構的隱匿通信等工程以及對電網、煤氣管網和自來水管網等重要基礎設施的監視和通信保障。

　　不過，值得一提的是，量子通信雖然具有革命性的力量，但卻并不是為了取代傳統通信而生。量子通信和傳統通信是兩種不同的通信形式，量子通信是為了讓傳統的數字通信變得更安全。

　　實際上，無論是量子密鑰分發，還是量子隱形傳態，都離不開一個需要經典通信的“經典信道”。對于量子密鑰分發來說，收發雙方需要通過經典信道比對測量方式，從隨機的測量方式中挑選出一樣的那部分，只有這部分的量子測量出的結果才能作為無條件安全的量子密鑰使用。

　　對于量子隱形傳態來說，收發雙方同樣需要通過經典信道比對測量方式，這樣接收方才能做出正確的操作，正確還原出傳輸的量子比特。量子隱形傳態利用的是量子糾纏，這個經典信道的存在使得單純靠量子糾纏無法傳送量子比特，因此超過光速的量子糾纏無法超光速傳遞信息，這樣就不會違反相對論。

　　可以說，量子通信其實是經典通信之外的一個新戰場，和一個新的發展機遇。對于通信產業來說，經典通信就好比是煤炭燃燒的化學能，量子通信就好比是電能。大部分電能離不開化學能，而量子通信也離不開經典通信。

　　并且，電能還將對化學能有所繼承和發展，使得電能可以應用在更多的地方，更好地去控制機器，并且能夠處理和傳輸信息。而量子通信對經典通信的繼承和發展，一方面，就是讓經典通信變得更安全，信息不會被半路截獲；另一方面，量子比特還可以突破經典數字通信的限制，讓信息傳輸變得更高效。

　　說到底，量子通信的魅力就在于其可以突破現有的經典信息系統的極限，這在缺乏信息安全的當下，是極大的安全感。從理論走向現實應用，量子通信，正在升級信息時代，引發一場關于通信的技術變革。