量子信息技术及其应用探讨

陈 晖，徐兵杰，王运兵

(保密通信重点实验室，成都 610041)

0 引言

在过去的几十年里，信息技术遵循着自身发展规律给社会带来了天翻地覆的变化，迄今信息技术的变革路线依然被这个发展规律所左右。1965年，戈登.摩尔提出，在至少10年内，集成电路的集成度会每两年翻一番。后来发现，IT产品的性能大约每18个月翻一番。目前，英特尔已经采用几十纳米工艺生产芯片，如果摩尔定律依然适用，将很快发展到采用十几纳米甚至几纳米工艺，这毫无疑问将进入“量子工艺”阶段。实际上，近十年来，量子信息技术(QIT，quantum information technology)，特别是量子密钥协商[1](QKD，quantum key distribution)保持着快速发展的态势，因此，量子信息技术的实际应用为期不远。

1 概述

QIT的典型特征是作为信息载体的量子态具有量子特性，它具有一些经典信息技术所不具有的特性，如:测不准、量子态不可克隆和量子纠缠等。目前QIT主要包括量子密钥协商、量子传感和量子计算等分支[2～4]。

由于在数据传输安全性、传感测量灵敏度和精确度、量子计算的并行性等方面的特殊优势，近十年，QIT发展十分迅速。目前，QIT应用研究热点局限于量子保密通信(特别是QKD)、量子计算基础理论等。另外，由于在精密探测和精确定位方面的良好应用前景，量子传感也得到了一定的关注。这些前沿技术有望在中短期内得到一定的实际应用。以下重点介绍QKD、量子传感和量子计算等方面的研究现状、应用前景和发展趋势等。

1.1 量子通信和量子密钥协商

通常，量子通信主要是指利用量子纠缠和量子隐形传态现象进行的通信，但是相关量子科技还不太成熟，相关技术很难在中短期内得到实际应用[5]。量子通信在窃听检测和通信保密方面具有天然的理论优势，并且在QKD等技术的影响下已无可置疑地成为一个具有战略意义的前沿技术领域之一，以QKD为代表的物理安全的量子保密通信技术的实用化也已是一个明显的趋势[6～8]。

根据海森堡测不准原理和量子不可克隆定理，未知量子态不能被精确复制和放大。由于非正交态测不准，任何针对编码于非正交量子态的窃听行为都将不可避免地干扰和破坏量子态，从而影响合法接收者对这些非正交量子态测量的期望结果。通信双方通过随机公开一些比特的基信息和测量结果，就可以确定量子态传输过程是否被窃听或干扰，并根据安全性判决条件决定是否采用已经传输的量子数据。这就是QKD的基本方法，系统架构如图1所示，QKD系统需要占用量子信道和传统信道资源。另外，由于量子密码模型还不清晰，对量子密码进行界定还缺少基础理论支撑，因此，目前被广泛引用的“量子密码”都是指 QKD[9]。

图1 QKD系统构成示意图

实际上，QKD是基于量子态的安全传输特性实现的一种物理安全的随机数据协商技术。QKD可以在一定程度上解决现有密码系统密钥的人工分发手段和量子计算环境下密码通信的安全性问题，为信息系统安全保障提供支撑。但是，目前还缺少一个可以把QKD技术有机融合到军事通信系统中的系统解决方案。综合解决量子密钥与传统密码系统的融合、量子密钥终端到密钥应用设备的“最后一公里”和“一到多”的系统需求、量子密钥协商速率与实际应用需求的矛盾等诸多关键问题，对利用QKD技术进一步提高通信保密能力具有十分重要的意义。

1.2 量子传感

量子传感器是基于量子效应[10，11]或量子检测特点实现的高精度的新型传感器，它利用量子信号对环境变化的极高敏感性提高传感器的灵敏度和测量精度。目前，量子传感器在信息领域的应用研究主要包括的几个方面，如图2所示。

图2 量子传感器类型及其应用领域

光纤传感器[12]在精密测量和探测、精确导航和制导等领域发挥着十分重要的作用。通过对传统光纤传感器的性能分析发现，在传统光纤传感器的不敏感区域或盲区，对量子传感系统来说却是一个具有更高自由度的极其敏感的测量区域，这正好是设计量子光纤传感器的良好基础。

通过对光纤弯曲式强度调制型光纤传感器进行模拟发现，在光纤极度弯曲的情况下并缓慢松开的过程中，量子信号检测器对通过弯曲光纤的光子数极其敏感，而传统的光纤信号检测仪器存在一定的测量盲区;即量子检测器对信号的微弱变化更加敏感。因此，量子光纤传感器具有较高的技术可行性和较好的应用前景。然而相关技术还未引起广泛的关注，目前公开文献中只有少量关于量子霍尔传感器、量子生物传感器和基于量子纠缠的量子传感器研究的介绍材料。

1.3 量子计算

量子并行计算的基础是量子态的相干叠加性，n个量子位可以表达2n个状态的信息，所以量子计算机在n个量子位的物理空间上提供了一个指数级规模的计算空间。量子计算机对n个量子存储器实行一次操作，等效于经典计算机重复实施2n次操作，或者等效于采用2n个不同的处理器进行并行操作。如果将量子寄存器制备为若干数据的相干叠加态，然后进行线性幺正运算，则计算的每一步将同时对叠加态中的所有数据进行计算，这就是量子并行计算的基本原理[2]。

1994年Peter Shor发现了第一个具体的量子分解算法，它在设想的量子计算机上可以在输入变量的多项式时间内分解大数因子，这给RSA和ECC等非对称密码系统的安全性提出了严峻的挑战。1996年Grover发现了随机数据库搜索的量子迭代算法，它有可能解决经典上所谓的NP完全问题。因此，基于传统密码算法的保密通信体系将面临着潜在的巨大威胁[2，3]。

基于量子计算具有超高速和超高效处理的可能性，搜索引擎巨头Google也开始研究一种可以自动识别和分类图像或视频的量子算法。世界上很多研究小组也都在为创造以量子比特为单位存储信息的量子处理器而努力。此处引述谷歌举的一个例子来说明量子计算的效率:要发现隐藏在100万个抽屉中的某一个抽屉里的一个小球，经典计算机平均需要找50万次。而使用grover算法的量子计算机仅需1000次就能够找到小球。由此可见量子计算具有特别的超高速和超高效处理潜力。

2 国内外研究现状

2.1 QKD和量子通信现状

目前，国外最远的点到点光纤QKD实验记录超过250 km，其量子密钥协商速率约10 b/s;量子密钥协商速率最高实验记录也超过50 Mb/s(在50 km光纤中传输)。如果按照目前的研究进程预测，10年后，在50 km光纤中进行量子密钥协商的速率将超过1 Gb/s，那么对于城域范围内的应用将是可行性的。

目前，美国[6]、欧盟[7]、日本和中国[8]等都进行了QKD网络实验，世界各国都在积极进行相关应用研究。中国在QKD技术应用实验方面走在世界前面，特别是中科大的两个量子信息技术研究团队都在积极部署QKD城域网，并将促进相关应用研究进程。

但是，目前QKD被实际应用的必要性基础还不可靠，比如QKD系统的物理安全性模型及其安全性测评体系还不完善，QKD系统的实际安全性很难在中短期内得到完全解决等。另外，量子信号源、传输与检测等方面的技术现状与应用也有较大的差距。比如，量子纠缠信号源产生纠缠对的效率小于1%，产生纠缠对的频率小于1 kHz;单光子信号源的效率小于10%;光纤信道损耗约0.2 dB/km，如果传输50 km，那么大约90%的量子信号丢失;单光子探测效率小于40%(在系统频率小于200 MHz、暗记数小于1×10－5的情况下)。在这种情况下，量子态传输50 km的损耗超过99.9%，即编码在量子态中的数据能够被接收者检测到的不超过0.1%，因此，短期内不可能利用量子态进行所谓的量子通信，但是，可以进行低速的量子密钥协商，或者是量子随机数生成。

2.2 量子传感技术现状

光纤传感器在精密测量和探测、精确导航和制导等领域发挥着十分重要的作用[12～14]，其中典型的军事应用是光纤水听器在潜艇探测方面的应用;光纤陀螺仪在精确制导武器和导航方面的应用等。目前，传统光纤位移传感器、光纤水听器和光纤陀螺仪的测量精确度和探测灵敏度基本都达到理论极限并且与高精度探测的需求还有一定差距，这已成为精密测量、精确探测和定位技术发展的瓶颈，并制约相关高精尖武器装备的发展。

基于单光子和量子纠缠信号的安全传输性能，QKD引起了广泛的关注并得到了快速发展，但是，量子信号对环境干扰的敏感性在一定程度上影响了QKD系统的稳定性。然而，量子信号对环境干扰的敏感性为开发量子传感器奠定了良好的基础。积极部署相关技术探索对于抢占QIT制高点至关重要。目前，量子雷达成像和定位、量子光纤水听器、量子光纤陀螺仪、量子光纤窃听检测器等已引起了一些研究团队的重视，并开始进行相关技术的探索研究。

2.3 量子计算和量子计算机现状

2007年D-Wave宣布制造出世界上第一台商用量子计算机。因为它没有公开展示该计算机是如何基于量子特性工作的，很多人对D-Wave声明的真实性表示怀疑。2011年，D-Wave基于其发表在《自然》杂志的论文“Quantum annealing with manufactured spins”设计了一款被命名为D-Wave One的商业量子计算机，处理器为128量子位!如果这个处理器是一个真正的量子处理器，那么这将是量子计算机领域的一个重大突破。

2010年3月，德国于利希研究中心发表公报说，该中心的超级计算机JUGENE成功模拟了42位的量子计算机，在此基础上研究人员首次能够仔细地研究高位数量子计算机系统的特性。但是，利用传统计算机不可能模拟超过64量子位的量子计算机。也可以说，利用经典手段模拟量子存在理论瓶颈，也不可能利用现有的经典计算资源解决目前碰到的未来量子计算机有可能解决的某些困难问题。

基于量子计算和量子计算机巨大的并行计算性能及其在军事信息对抗方面的应用前景，许多国家投入大量人力和物力开展相关技术探索。毫无疑问，率先在相关领域取得实质性突破将有助于占领信息对抗的制高点。

3 应用前景

3.1 QKD在完全保密通信中的应用

理论上，QKD具有与计算复杂度无关的物理安全性，是可以对抗量子计算攻击的新型的密钥协商手段。在中长期内，QKD有可能成为通信保密的重要技术手段。

如果采用理想的QKD系统方案，通信双方利用QKD系统可以协商出任意长度的随机比特序列;把这个随机比特序列作为一次一密乱码本使用进行保密通信，可以实现完全保密的通信。基于这种理想的应用愿景，QKD技术得到了快速发展，并期望它在解决现有密码系统密钥人工分发和量子计算环境下密码通信的安全性问题方面发挥特殊作用;在构建新型的专用的密钥协商网络方面发挥重要作用。

但是，所有这些应用的前提是QKD必须能够提供理论上所赋予的物理安全性，并且有效提高系统的抗干扰性能、通信距离和速率等应用瓶颈问题[15]。另外，为了促进QKD的实际应用，短期内解决QKD与传统军事通信系统的融合问题尤为重要。

3.2 量子传感在精密探测和精确导航方面的应用

初步研究表明，量子光纤传感器(比如量子光纤水听器、量子光纤陀螺仪等)的灵敏度比传统光纤传感器的灵敏度高几个数量级，在提高对敌舰艇的探测灵敏度和探测距离方面、在提高导航和制导系统的精确度方面等具有良好的军事应用前景。

开发具有更高探测精确度和灵敏度的高性能量子光纤传感器对提高国家信息技术水平、增强国防实力等有着举足轻重的作用，提高光纤水听器的探测精确度和灵敏度、提高武器装备导航定位的精确度和灵敏度是新一代信息对抗武器研究的重要发展方向。

3.3 量子计算在密码破译方面的应用

量子 Shor分解算法的时间复杂度为 O[n2(logn)(loglogn)]，其随输入大数的比特数增加呈多项式级增长。这个算法对诸如RSA和ECC等非对称密码算法具有致命性的威胁。量子Grover搜索算法的复杂度是，它对对称密码算法构成巨大威胁。比如量子计算机的性能提高一倍将迫使传统对称密码算法的密钥长度至少增加一倍;如果量子计算机的性能提高一倍的周期是2年，那么密码算法的密钥长度每2年都要增加一倍，这对于许多保密通信系统来说是不可接受的，因而这可能迫使传统对称密码算法体制的变革。

由于对量子计算的研究还处于初级阶段，无法排除存在更好的量子计算方法的可能性，因此，研究基于量子计算方法的密码破译技术在获取情报方面具有十分重要的军事价值。但是，量子计算也可能被敌方用于攻击我军的密码通信系统，因此，同时研究抗量子计算的新型密码算法体系对于保密通信来说也至关重要。

4 发展趋势

一方面，由于信息安全在信息社会中发挥着越来越重要的作用，新型的信息攻防技术将受到越来越多的关注，毫无疑问，具有物理安全性的QKD技术的应用研究、具有高度并行性的量子计算研究将是下一阶段新技术研究的热点。当然，物联网、云计算、网络战等环境下的信息保护技术研究依然是下一阶段应用研究的热点和重点，QIT能否应用于这些领域也值得深入探讨。

另一方面，传统高、精、尖技术发展瓶颈问题的解决也需要新型的技术途径，量子传感器技术在突破测量精确度、探测灵敏度和准确度等方面将发挥重要作用。由于信道损耗和收发系统的效率不对量子传感器的测量精度和灵敏度造成重大影响。因此，量子传感器具有较好的应用前景，但是提出新型的量子传感器的实现方法和途径具有较大的难度，加大投入对于相关技术发展至关重要。

总之，近十年，量子信息技术学科发展迅速，方兴未艾。QIT的新型应用途径值得深入发掘。毋庸置疑，QIT正以超常的速度从神秘殿堂走向人们的生活，并将带来不断的新奇技术体验。积极开展QIT的基础和应用探索研究对于抢占信息对抗制高点至关重要。

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