量子通信利用量子力学原理产生密钥对信息进行加密和解密，并采用量子纠缠效应进行密钥分发,被认为是当今最安全的通信系统.有两项特性，一个是不可分割，一个是不可复制

中国量子通信第一人详解量子通信技术

2016-08-16 半导体行业观察

尖端科技背后的故事

量子通信是基于量子力学基本原理的前沿技术。近年来，以潘建伟团队为代表的中国科学家在量子通信领域取得了举世瞩目的重要科研成果，在尖端科技发展的过程中，我国科学家都经历了哪些不为人知的挫折和磨难？尖端科技的背后又隐藏着怎样的技术难题？

潘建伟介绍说，在量子通信技术的研发过程中，单个光量子的制备和探测是主要的两个技术难题。首先，制备单个光量子的技术难题。潘建伟举了一个非常形象化的例子来解释这一关键技术的难度：一个普通的十五瓦左右的灯泡每秒钟辐射出的光量子个数可以达到百亿亿个，想要实现单个光量子的制备就如同在这百亿亿个光量子发射出来的瞬间捕捉到其中的某一个，技术难度可想而知。另一个难题是单光子的探测。单个光子已经是光能量的最小单元，能量是非常微弱的，需要发展出非常精密和高效的单光子探测技术。具备了单个光量子的制备和探测的能力后，我们就可以用来实现安全的量子通信了。

量子信息的应用除了实现无条件安全的通信外，还可以带来计算能力的飞跃，这就需要第二种能力，把一个个的单量子纠缠起来。量子计算机的能力是随着纠缠粒子数目呈指数增长的，比如有100个粒子的纠缠，每个粒子可以处于“0”和“1”的相干叠加，100个纠缠的粒子就可以同时处于2100个状态的叠加，这就相当于同时对2100个数进行操纵，计算能力就大大提升了。把一个个粒子纠缠起来需要对它们之间的相互作用进行精确的控制，同时还要保证克服环境的干扰。潘建伟团队通过一种名为“光晶格”的实验装置来成功攻克了这一技术难题，而“光晶格”捕捉单个原子的技术原理就如同把鸡蛋逐个放入蛋槽的过程，每个光晶格中只能容纳一个原子，再人为控制这些原子的相互作用，使得它们纠缠起来。虽然现在的技术水平已经发展到可以操纵数百个原子，但是想要实现数百个原子之间的量子纠缠态还有很长的路要走。潘建伟解释说，如果能够将几百个原子纠缠在一起，就可以演示量子计算机的基本功能了。

奥地利——梦开始的地方

据了解，此次“墨子号”量子通信卫星包含了国际合作任务，并且选择了奥地利作为首个国际合作伙伴。为何偏偏选择奥地利？这还要从潘建伟的求学经历说起。

在中国科学技术大学学习期间，潘建伟第一次领略到量子世界的奇妙。但随着研究的深入，他越发意识到量子理论中的各种奇特现象需要更加尖端的实验技术和条件才能够得到验证，而当时国内在这方面还相对落后。于是1996年潘建伟来到奥地利因斯布鲁克大学，师从奥地利物理学家AntonZeilinger攻读博士学位。那时Anton Zeilinger教授已经建立了量子实验室，并且是量子物理学领域的国际权威。在这里，潘建伟和同事们完成了国际上首次实现光子的量子隐形传态的实验，这被认为是量子信息实验领域的开端。此后几年内，潘建伟和同事们又先后实现了一系列量子信息领域的先驱性实验，这些宝贵的经历为以后潘建伟在量子通信领域的突破性贡献奠定了坚实的基础。潘建伟对奥地利的特殊感情还不止于此。潘建伟在奥地利求学期间，一直得到了奥地利外交部和学术交流机构的资助。博士毕业后，潘建伟又继续在维也纳大学实验物理所从事博士后研究，而维也纳大学正是薛定谔等量子力学的奠基人工作过的地方，无疑是量子力学的“圣地”之一。

所以，当昔日的老师主动提出加入到我国的量子卫星计划中来的请求后，顺理成章地，奥地利就成了量子科学实验卫星项目的第一个国际合作伙伴。潘建伟提到，量子科学实验卫星会向全世界开放，在奥地利之后，德国、意大利、加拿大等国的团队也主动请求加入。

追寻量子通信发展的轨迹

潘建伟曾经在接受采访时谈到，作为量子通信领域的技术强国，中国正从经典信息技术的跟随者，转变成未来信息技术的并跑者乃至领跑者。回顾中国量子通信领域的发展历程，成绩的取得当然离不开先辈科学家们孜孜不倦的奋斗与拼搏。

潘建伟表示，我国在量子通信领域的研究起步较早，在上世纪90年代初就有如郭光灿院士、张永德教授等老一辈科学家对该领域发展的密切关注，并且中国科学技术大学已经发表了一些该领域的文章。潘建伟强调说，中国量子通信领域之所以能够发展到今天这一步，与当时中科院与时俱进的敏锐眼光密切相关。比如，在他2001年回国组建实验室时，一切都是从零开始。当时向中科院申请了200万经费，而当时的中科院基础局却拨了400万。在中科院的重视和支持下，实验室的发展速度非常快，很快就有了一批由中国人完成的量子信息领域的重要成果。在那之后，从2004年起，中科院的支持力度又进一步加大。同时，国内其他团队也发展起来了。从2005年的时候，国家的重大研究计划也开始注意到了量子调控，当时在中科院物理所的于渌院士、南京大学的闵乃本院士等建议下，量子调控成为国家重大研究计划的内容，到目前这一计划已经执行了十余年。正是由于国家的重点扶持，我国的量子通信技术才得以快速发展。近年来，中科院启动量子卫星项目，国家发改委启动“京沪干线”项目，为量子通信技术实现跨越式的发展注入了长足的动力。但同时潘建伟也表示，欧美等国家也相继启动了包括量子通信在内的量子专项计划，政府也给予了大力支持，所以我国在未来能否持续抢占量子通信领域的领跑地位，还需要不断创新不断前进。

量子通信是目前为止唯一被严格证明可提供无条件安全的保密通信手段。随着我国发射全球第一颗量子实验卫星以及 “京沪干线”的建成,都将奠定中国在量子通信领域的领跑地位。目前，在量子通信领域，无论是科学研究还是实际应用，我国都已处于世界领先水平，我们也期待着，量子通信从理论到实验再到实践的完美蜕变。

量子通信是什么？

2016-08-25 中科院物理所

2016年8月16日凌晨1时40分，在一片震耳欲聋的轰鸣声中，一架长征二号丁运载火箭正喷出闪亮的火舌，从酒泉卫星发射中心的发射塔架上一飞冲天。

　　这意味着由我国科学家自主研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心成功发射，除了用这枚卫星进行一些科学实验外，还将在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信。这也将是跨度最大、史上最安全的通信网络。

　　提到“量子”一词，大多数人想到的可能是玄之又玄的量子物理，以及爱因斯坦那句著名的“上帝不掷骰子”的断言。在我们的过往印象中，量子物理经常与“不确定性”、“测不准”等词汇联系在一起，然而我们又知道，通信最重要的就是稳定、安全、可靠。那么，量子与通信，表面上互相矛盾的两个东西是如何联系到一起的呢？要了解这一点，我们还是先从传统通信为什么需要“量子”说起吧。

传统通信的局限性

　　众所周知，密码这东西现在已经充斥了我们的生活。像网购转账、登陆微信，甚至在我们看不见的信息传输途中，都需要用到密码，因为它能保证通信和交易的安全。不过，有了加密，就有破解密码的人，这对死敌的角力始终贯穿在我们整个通信的历史中。尤其在战争年代，解密的成功与否甚至足以影响最终的战局。在二战期间，美军正是因为破解了日军电报的加密方式，从而掌握日军高层的行踪，最终成功击杀了其海军总司令山本五十六，为太平洋战争的获胜奠定了基础。除此之外，直接窃听和截获信息也是很常见的泄密方式。如电影《窃听风云》讲述的正是通过窃听他人通信而发生的一系列故事。

　　人们一直在想，是否存在一种安全传输信息的方法呢？我们可以总结一下，“使通信保密”的思路其实有两种。一种是物理加密，比如在A和B之间拉一条专线，专线中间布满岗哨，任何想截获信息的间谍必须在光缆上做手脚才能窃听，而这必然会被哨兵拿下。在这种确保安全的信道中，我们甚至无需对信息加密，直接用明文交换信息就可以了。但是，用物理隔离的方法终究不现实，它的效率低，成本高，距离有限，只有少数重要且有条件的岗位才用得起这种方式。

　　另一种是信息加密，就是把封装信息加上密码后通过公共信道传递，这相当于把它放在一个带锁的小箱子里进行运输，沿途就算被人截留了也没关系，因为只有对面拿到钥匙的人才能打开箱子，从而获取信息，这种做法就是我们目前常用的传统加密方式。

　　只是现有的密码体系还是通过增加计算复杂性来保证安全。例如应用最广泛的密码算法RSA，用的是两个非常大的质数的乘积来建立密钥。众所周知，对于两个大质数乘积进行因式分解，除暴力穷举外并无更好的方式。资料显示，用现有最快的传统计算机对一个500位的RSA密钥进行穷举破解，耗时将达到百亿年——几乎等于不可破解。

　　但从理论上讲，只要有足够先进的计算机，任何有限长度的密码都可以被破译。随着计算机技术更新迭代，接下来可能出现更快更强的计算机，比如研发中的量子计算机等。在那时候，如果无法升级出对应的加密方式，那么原有的密码将不再安全，金融系统和个人隐私等领域都将彻底陷入混乱。

　　面对未来可能出现的困境，人们需要找出新的加密手段。此时，量子物理的发展为人们带来了新的思路。

从量子货币到量子保密通信

　　20世纪初，量子物理学取得了长足发展。在物理学家不断刷新对量子力学认知的同时，当时的密码学家忽然意识到一个问题：利用量子不可分割、不可复制的特性，人类是否有可能发展出一种永不陷落的安全体系？

　　20世纪60年代末，美国哥伦比亚大学的斯蒂芬·威斯纳（Stephen Wiesner）提出了在今天看来仍十分超前的量子货币概念。量子货币的理论基础是“海森堡不确定性原理”及其推论“不可克隆定理”。用通俗的话解释，他打算在钞票上放置“囚禁”光子的装置，通过检测光子独一无二的偏振方向来验证钞票真伪。这种做法在理论上确实可以制造出不可伪造的钞票，然而它的缺点也一目了然——验证真伪所需要付出的代价太高，成本比钞票本身的面额还大得多。威斯纳的想法最终被认定为过于超前，多家学术期刊拒绝了他的论文。

　　但威斯纳的大学同学，在IBM公司托马斯·J·梅森实验室工作的查尔斯·本内特（Charles Bennett）很欣赏这一设计，并在此基础上，本内特于1984年提出了利用光子偏振态编码传送密钥信息的量子密钥分发协议——BB84协议。自此，量子密码开始受到学术界的高度关注。1993年，本内特等6位科学家发表题为《经由经典和EPR通道传送未知量子态》的论文，正式提出“量子隐形传态”构想。这一构想被认为是量子通信的基础。

　　前面说到，量子有两项特性，一个是不可分割，一个是不可复制。本内特指出，因为光量子具有不可分割性，所以在单光子发射的情况下，窃听者不可能采用将光子分成两半，一半用于获得密钥，一半传输给接收方的方式来避免被发现。与此同时，因为光量子是无法准确被测量的，所以不能被窃听者复制。换句话说，窃听者无法通过准确测量光子，克隆出一个一模一样的量子来获取信息。也就是说，在量子通信的范畴内，只要窃听者窃取信息就必定会被发现，这是它相较传统通信技术的一大改变。

　　1997年，奥地利科学家安东·蔡林格（Anton Zeilinger）在室内首次完成了量子隐形传态的原理性实验验证，成为量子信息实验领域的经典之作。当时，中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟正在奥地利留学，跟随导师蔡林格参与了整个实验。回国后，潘建伟在中国科学技术大学组建了量子信息实验室，经十余年耕耘，目前，潘建伟团队已成为世界范围内量子信息实验领域的领头羊。这次上天的“墨子号”卫星正是这个团队的最新杰作。

量子通信是如何实现的？

　　说了这么多，那么量子通信到底是如何实现的呢？在解释前，我们首先要清楚两个概念。

　　第一个概念是光的偏振。我们知道光具有波动性，也就是光在传播过程中，是一边振动，一边往前走，振动可以是空间内垂直于传播方向的任意方向。但是我们可以在中途加一个偏光器，让振动方向垂直偏光器的光才能通过。这样一来，通过的光亮度会大大减弱，从而减少眼睛的负担，这个技术在太阳眼镜、电脑显示器和照相机中都有应用。

　　第二个概念是基底，就是空间维度的轴。在二维空间上，它是X和Y，在三维空间则是X、Y、Z这三轴。让我们试着在脑内构建两个不同的基底，一个是水平X轴、垂直Y轴的水平垂直基底，另一个是倾斜45°，呈X形状的斜45°基底。我们把这两组基底想象成偏振器，那么当一束光通过某个基底后，只有这个方向偏振的光子被保留下来，也就是说这个光子的偏振状态是唯一的。好比一根绳子穿过篱笆，抓住一头上下甩动，篱笆对于绳子就像“透明”的，不会干扰绳子摆动，但如果你左右摆动，绳子的波就被篱笆阻挡了。

　　明确了这两个概念后，我们来看如何实现从A到B的密钥传输。

　　首先，发信人A用水平垂直基底和斜45°基底对光子进行制备，并对制备后的偏振状态进行赋值。比如分别把他们在X轴偏振的光子记为1，Y轴偏振的记为0。也就是说，从水平垂直基底上筛出的光子，如果偏振状态表现出是0°，则代表二进制数1；如果是90°，则代表二进制数0。另一种基底也是同样道理。

　　之后，A随机选择一批具有一定偏振状态的光子，通过正常的信道逐个发送给收信人B。此时，光子的赋值可以记作一个长度为N的二进制串。B在接收到A的光子后，随机选择一种基底进行测量。如果B和A选择的是一样的基底，那么测出来的结果就会跟A的赋值一样。如果选错了基底，光子就会无法通过，从而呈现出完全随机的表现。因为只有0和1这两种赋值，所以在这种情况下，错误率是50%。





随机脉冲序列密匙

　　在这之后，B把测量结果通过其他信道，比如公开打电话之类的，跟A进行核对。他不需要告诉A具体收到什么结果，只要告诉A他选取了什么基底就足够了。这样就能剔除错误结果，保留正确的结果，从而形成长度为M（M<n）的二进制串，成为原始密钥。< span="" style="box-sizing: border-box;"></n）的二进制串，成为原始密钥。<>

　　这时，A已经知道B测量光子用的基底序列，那么他再次发送随机脉冲序列时立刻就知道B的哪些是对的，哪些是错的。于是每次A给B发随机脉冲时，同时附上一份对错序列表。B收到脉冲以后，用对错表跟自己的测量结果进行比对。这样一来，他就知道哪几位上的数字是对的，从而获得正确的密钥。

　　那么，问题来了，为什么对于这样的通信，旁人无法窃听？我们可以试着罗列出不同的可能性。

　　首先，如果选择在A传送光子时进行窃听，那么必然要对光子进行测量，由于A对基底的选择是随机的，窃听者不可能正好跟A选择一样的一组基底，假设有两组基底作为备选，每一次选择正确的概率只有1/2，如果这个基底序列达到20位，那就是1/2的20次方，序列越长，正确率越低，窃听者从而无法获得正确的密钥。

　　同时，由于窃听者对光子进行了观测，根据量子物理的理论，这种行为会干涉它的状态，从而导致它的偏振发生改变。B收到光子后，跟A进行核对，发现错误率明显提高了。说明中途肯定被别人窃听了，所以这条信道就不安全了，二者将停止通信。

　　如果是直接截获并克隆A和B之间的信息传输，然后慢慢研究呢？很抱歉，这也是不可能的。从“克隆”的意义上说，要想精确地复制一个物品，首先就要测量这个物品的所有信息。然而，对一个遵循量子规律的系统，我们不可能同时精确测量它的所有物理量，因为根据“海森堡测不准原理”，在同一时刻，不可能以相同精度测定量子的位置与动量，我们只能精确测定两者之一。那么，窃听者就算截获了A发送的光子，也无法完美复制出一个一模一样的给B，这样同样会导致窃听暴露。

　　即便窃听到了B的基底测量序列，并获得了A发送的对错表——这是有可能的，毕竟这些两步沟通都是通过经典信道完成——可窃听者也无法知道B的测量结果是什么。即便获得了B的测量结果，但正式通信时，窃听者也只有把光子拦截下来，再对照A的对错表才能知道密钥是什么。但这样一来，B就收不到光子了，窃听行为同样会暴露。

　　在这种情况下，由于光子是逐个发送的，一旦发现有一个光子失联，B可以随时中止通信，让窃听者收不到后面的信息，从而无功而返。

　　由此可见，从理论上讲，量子保密通信可以保证信道的绝对安全，不仅不易被窃听到信息，并且即使有人窃听的话，也可以在第一时间发觉，进而及时中断通信。由于它的这种高保密性的特点，量子通信有望应用到各种高密级的远程会议中。

量子通信的未来

　　当然，理论上绝对安全的量子保密通信，在实际应用中也存在漏洞，因为在单光子传送过程中会有噪音干扰，不存在理想状态那种绝对干净的信道。所以A必须发送多个携带相同信息的光子脉冲序列给B，保证他能够接收到其中一条。这时，窃听者可以伪装成噪音，截获其中一条，再按照之前提到的思路，从公共信道窃取B的基底序列和A的对错表，对照之后，一样可以获得正确的信息。但这里面涉及到了密码学中的降噪、诱骗态方案等问题，已经不属于量子通信本身的范畴，它需要我们通过其他方面的努力去克服，比如建设更好的信道等，在这里就不展开阐述了。






　　由于量子保密通信本身具有超高安全性的特点，它最适合的应用就是在军事需求方面，因此在研究初期，它得到我国国防经费的大力投入，在研究实力方面，军方的量子通信技术一向是最高的。

　　现在，随着技术的成熟，量子通信开始向民用领