量子通信技术发展现状及面临的问题研究

徐兵杰，刘文林，毛钧庆，杨 燕

(1．保密通信实验室，四川 成都610041;2．解放军95830部队，北京100093;3．解放军91746部队，北京102206)

0 引言

量子通信基于量子力学原理，将微观世界的物质特性运用到通信技术上，在高速传输和高可靠保密通信方面具有优势，成为当今通信技术领域的研究热点之一。世界各国纷纷投入大量的人力和物力进行研究和开发，在理论研究和实验技术上均取得了重大突破。

1 量子通信技术

1．1 基本概念

量子通信是利用量子相干叠加、量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信技术，由量子论和信息论相结合而产生［1］。从物理学角度看，量子通信是在物理极限下利用量子效应现象完成的高性能通信，从物理原理上确保通信的绝对安全，解决了通信技术无法解决的问题，是一种全新的通信方式［2］。从信息学角度看，量子通信是利用量子不可克隆或者量子隐形传输等量子特性，借助量子测量的方法实现两地之间的信息数据传输。量子通信中传输的不是经典信息，而是量子态携带的量子信息，是未来通信技术的重要发展方向。

1．2 发展历程

量子通信的研究发展起步于20世纪80年代［3］。1969年，美国哥伦比亚大学 Wiesner提出采用量子力学理论保护信息安全的设想。1979年，美国IBM公司的Bennett和加拿大蒙特利尔大学的Brassard提出了将Wiesner的设想用于通信传输的构想。1981年，Feynman提出了传输量子信息的假设，确立了量子信息论的开端。1982年，法国艾伦·爱斯派克特通过实验证实了微观粒子存在“量子纠缠”现象。1984年，Bennett和Brassard提出了量子密钥分发(QKD)的概念和第一个量子密钥分发协议(BB84协议)，标志着量子通信理论的诞生。1989年，通过自由空间信道，完成了量子通信的第一个演示性实验，通信距离为32 cm。1992年，Bennett提出了基于两个非正交量子态的量子密钥分发协议，被称为B92协议。

1993年，Bennett首次正式提出量子通信概念。同年，6位不同国家的科学家，利用经典信道与量子纠缠相结合方法，设计出了量子隐形传送方案。1997年，奥地利科学家首次完成室内量子态隐形传输的实验验证;2004年，通过光纤信道，实现量子态隐形传输600米。2007年6月，欧洲科学家根据BB84方案，通过卫星进行量子通信测试，通信距离达144公里。2008年，意大利和奥地利科学家首次识别出从地球上空1500公里处的人造卫星上反弹回地球的单批光子，实现了太空量子保密通信的重大突破。2012年，中国和奥地利科学家分别实现了百公里量级的量子隐形传态，为星地间量子通信技术研究奠定了坚实基础。

同时，随着点对点QKD技术的成熟，基于量子密钥分发技术的中小型规模的量子保密通信网络在美国、欧盟、日本、中国等得到的多次实验演示验证，QKD技术已经逐步接近实用化。2004年，美国雷神公司组和波士顿大学在DARPA支持下建了世界上第一个量子密码通信网络;2008年，欧盟“基于量子密码的全球保密通信网络”(SECOQC)研发项目组建的7节点量子保密通信演示验证网络运行成功;2009年，由日本国家情报通信研究机构(NICT)主导，联合日本NTT、NEC和三菱电机，并邀请到东芝欧洲有限公司、瑞士ID Quantique公司和奥地利All Vienna共同协作在东京建成了六节点城域量子通信网络“Tokyo QKD Network”，集中展示了欧洲和日本在量子通信技术上的最新技术;2010年起，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室秘密构建了城域量子通信网络，直到2013年才公布;中国先后建设了芜湖、合肥、济南、北京等量子城域网，在QKD网络应用探索方面走在世界前列。国庆60周年之际，中国在天安门城楼、中南海、国庆阅兵指挥部等地点之间构建的实时语音加密量子通信热线。总之，经过近30年的发展，从技术指标上来讲，国际上QKD系统最远传输距离达300 km，在通信距离为50 km条件下安全码率可达1 Mb/s，城域量子通信网络节点数目达几十个。市场上至少有5家公司销售商用QKD产品，其中包括瑞士的ID Quantique公司，美国的MagiQ公司，法国的Smar Quantum公司，中国的问天量子科技公司和量子通信科技公司。本领域当前研究的主要集中于推进 QKD技术的实用化，解决实际QKD系统的安全性、实用性及大规模量子通信网络应用探索问题。

1．3 体系架构

量子通信体系架构包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置等部分，其基本模型如图1所示。

图1 量子通信系统基本模型Fig．1 Basic model of quantum communication systems

量子通信系统包括量子信源、量子编码、量子解码、量子调制、量子解调、量子传输信道、量子测量装置、量子辅助信道和量子信宿等部分［4］，其中:量子信源是量子信息(表现形式为量子态)产生器;量子信宿用于接收量子信息;量子编码负责将量子信息转换成量子比特;量子解码负责将量子信息比特转换成信息。信道分成量子传输信道与辅助信道两部分，量子传输信道传输量子信息，辅助信道是除量子传输信道和测量信道之外的附加信道(如经典信道)。量子噪声是通信环境对量子信号产生的影响等效描述。目前，在量子通信系统的实际应用中，一般采用“量子信道+辅助经典信道”的方式完成非理想的量子密钥分发或量子密码通信。在经典信道辅助下，通信双方利用量子信道实现量子信息的交互和同步，获取量子密钥。

1．4 特点与优势

量子通信与传统通信技术相比，具有如下主要特点和优势:①时效性高。量子通信的线路时延近乎为零，量子信道的信息效率相对于经典信道量子的信息效率高几十倍，并且量子信息传递的过程没有障碍，传输速度快。②抗干扰性能强。量子通信中的信息传输不通过传统信道，与通信双方之间的传播媒介无关，不受空间环境的影响，具有完好的抗干扰性能。③保密性能好。根据量子不可克隆定理，量子信息一经检测就会产生不可还原的改变，如果量子信息在传输中途被窃取，接收者必定能发现。④隐蔽性能好。量子通信没有电磁辐射，第三方无法进行无线监听或探测。⑤同等条件下，获得可靠通信所需的信噪比比传统通信手段低30～40 dB。⑥应用广泛。量子通信与传播媒介无关，传输不会被任何障碍阻隔，量子隐形传态通信还能穿越大气层。因此，量子通信应用广泛，既可在太空中通信，又可在海底通信，还可在光纤等介质中通信。

2 量子通信技术发展现状

当前，世界各国学者对于量子通信技术开展的研究，主要集中在量子密钥分配(QKD，Quantum Key Distribution)、量子隐形传态(Quantum Teleportation)、量子安全直接通信(QSDC，Quantum Secure Direct Communication)、量子机密共享(QSS，Quantum Secret Sharing)等4 个方面［5］。

2．1 量子密钥分配(QKD)

量子密钥分配以量子态为信息载体，基于量子力学的测不准关系和量子不可克隆定理，通过量子信道使通信收发双方共享密钥，是密码学与量子力学相结合的产物。QKD技术在通信中并不传输密文，只是利用量子信道传输密钥，将密钥分配到通信双方。基于QKD技术的保密通信系统架构如图2所示。

图2 基于QKD的量子保密通信系统Fig．2 Quantum secure communication system based on QKD

目前，各国学者在理论上已经提出了几十种量子密钥分配方案，根据信号源的不同大概可分为三类:一是基于单量子的量子密钥分配方案;二是基于量子纠缠对的量子密钥分配方案;三是基于单量子与量子纠缠对的混合量子密钥分配方案。

2．1．1 基于单量子的量子密钥分配方案

基于单量子的密钥分配方案主要有4个［5］:

1)BB84方案。1984年，Brassard与Bennett联合提出了第一个实用型量子密钥分配系统——BB84方案，系统架构如图3所示。该方案通过量子信道传送密钥，量子信道的信息载体是单个量子，通过量子的相位、极化方向或频率等物理量携带量子密钥信息。BB84方案利用单个量子作为信息载体两组共扼基，每组基中的两个极化互相正交。由于理想状态的量子信道无法实现，BB84方案还利用经典信道进行量子态测量方法的协商和码序列的验证。

图3 基于BB84协议的量子密码通信系统Fig．3 Quantum cryptographic communication system based on BB84 protocol

2)B92方案。1992年，Bennett基于 BB84方案，设计了只用两个非正交的量子态实现量子密钥分配的设想，即B92方案。B92方案对实验设备的要求比BB84方案低，量子信号的制备也相对简单一些，但效率低、可靠性能差。

3)HKH98方案。1998年，Hwang、Koh和 Han根据BB84方案，通过不正交的量子态不能被克隆的原理，利用控制通信双方测量基的方法，使通信收发双方对每一个量子信号的制备与测量运用相同的测量基，简记为HKH98方案，又称作测量基加密量子密钥分配方案。其编码方式与BB84完全一样。

2．1．2 基于量子纠缠对的量子密钥分配方案

基于量子纠缠对的量子密钥分配方案主要有3个:①Ekert91方案。1991年，Ekert提出了基于EPR光子对(量子纠缠对)的量子密钥分配方案，又称EPR方案。该方案基于光子的纠缠特性，但由于目前EPR光子对的制备、传输、量子存储及Bell不等式的测量技术还都不够成熟，实用性不高。②BBM92方案。1992年，Bennett、Brassard和 Mermin在Ekert91的基础上提出了BBM92方案。该方案不用贝尔不等式分析方法来判断安全性，而是采用了与BB84方案一样的安全分析方法，在测量上比较容易实现。该方案也需要EPR对，实际应用较难实现。③Long－Liu 2002方案。2002年，我国龙桂鲁与刘晓曙提出基于N个EPR对的QKD方案。其设计思路是，利用量子纠缠对作为量子信息的载体，处于纠缠的量子对的量子态可以是四种贝尔基态中的任何一个。该方案具有高效率和高容量的优点，缺点是需要克制退相干作用，以及量子序列需要等待另一个量子序列传输完后才能传输。④设备无关方案。2007年，欧洲学者提出了安全性与系统光源、探测器属性独立的，基于Bell不等式测量的QKD方案，即所谓设备无关(Device Independent)协议。该协议能从理论上解决实际QKD系统的安全漏洞，具有极高的理论研究价值，是当前的学术研究热点。在此协议基础之上，各国科学家还进一步拓展出了半设备无关协议、测量设备无关协议等新思路、新理论。

2．1．3 基于单量子和量子纠缠对的混合量子密钥分配方案

该方案的主要思想是，综合利用单量子和量子纠缠对的量子特性，让窃听者没有办法获得量子信号的准确信息。该方案的代表是2000年Cabello提出的基于Holevo limit的量子密钥分配方案和我国郭光灿小组提出的条件高效多用户量子密码通信网络方案。

2．1．4 国内外基于量子密钥分配的量子通信实现情况

1)国外实现情况。1993年，英国研究小组首先在光纤中，使用相位编码的方法实现了BB84方案，通信传输距离达10 km。1995年，该小组将距离提升到30 km。瑞士于1993年用偏振光子实现了BB84方案，光子波长1．3 mm，传输距离1．1 km，误码率0．54%;1995年，将距离提升到23 km，误码率为3．4%;2002年，传输距离达到67 km。2000年，美国实现自由空间量子密钥分配通信，传输距离达1．6 km;2003年，欧洲研究小组实现自由空间中23 km的通信。2008年10月，欧盟开通了8个用户的量子密码网络;同月，日本将量子通信速率提高100倍，20 km时通信速率达到1．02 Mbit/s，100 km时通信速率达到10．1 kbit/s。目前，国外光纤量子密钥分配的通信距离达300 km，量子密钥协商速率最高试验记录在50 km光纤传输中超过1 Mb/s。

2)国内实现情况。2004年，郭光灿团队完成了从北京望京——河北香河——天津宝坻的量子密钥分配，距离125 km。2007年，赵义博团队完成四用户量子密码通信网络的测试运行。2008年，潘建伟团队建成基于商用光纤和诱骗态相位编码的3节点量子通信网络，节点间距离达20 km，能实现实时网络通话和3方通话。2009年，郭光灿团队建成世界上第一个“量子政务网”。同年9月，中国科技大学建成世界上第一个5节点全通型量子通信网络，实现实时语音量子密码通信。2011年5月，王建宇团队研发出兼容经典激光通信的“星地量子通信系统”，实现了星地之间同时进行量子通信和经典激光通信。2012年2月17日，合肥市城域量子通信实验示范网建成并进入试运行阶段，具有46个节点，光纤长度1 700 km，通过6个接入交换和集控站，连接40组“量子电话”用户和16组“量子视频”用户。2013年5月，中科院在国际上首次成功实现星地量子密钥分发的全方位地面试验。同年11月，济南量子保密通信试验网建成，包括三个集控站、50个用户节点。我国计划在2016年左右发射“量子科学实验卫星”，将实现高速星地量子通信并连接地面的城域量子通信网络。

2．2 量子隐形传态

量子隐形传态(Quantum Teleportation)又称量子远程传态或量子离物传态，是利用量子纠缠的不确定特性，将某个量子的未知量子态传送到另一个地方，然后将另一个量子制备到该量子态上，而原来的量子仍留在原处。其基本原理是利用量子纠缠对的远程关联，通过对其中一个纠缠量子和某一个未知量子态进行一些本地测量，实现这个未知量子态在另一个纠缠量子上再现出来。量子态传送过程是隐形的，通信过程中传输的只是表达量子信息的“状态”，而并不传输作为信息载体的量子本身，通信没有经历空间与时间，不发送任何量子态，而是将未知量子态所包含的信息传送出去。

量子隐形传态是当前量子通信技术研究和发展的重要方向之一。在理论研究方面，自从1993年Bennett等人提出分离变量的量子隐形传态方案后，相关学者提出的方案有:Davidovich L等人的基于Bell基联合测量方案;Vaidmand L等人的连续变量方案;Brassard G等人提出的利用受控非门和单个量子比特操作所构成的量子回路方案;Barenco A等人的量子态交换方案;Cirac及中国郑仕标和郭光灿等人的基于腔量子电动力学(腔QED)的方案及利用原子与光腔相互作用来实现量子态的方案;Ralph T C及我国山西大学彭墀等人的利用明亮压缩光的方案;Solano E等人的离子阱方案;叶柳和郭光灿等人的利用非局域测量实现量子态的隐形传送方案;郑亦庄等人利用非最大纠缠态作为量子通道，实现三粒子纠缠W态的隐形传送方案;Roa L等人提出的一种d维的量子系统的隐形传态方案等。

在实验进展方面［6］，1997年奥地利Zeilinger小组首次实验成功了量子隐形传态通信;1998年初，意大利Rome小组实现将量子态从纠缠光子对中的一个光子传递到另一个光子上的方案;同年底，美国CIT团队实现了连续变量(连续相干光场)的量子隐形传态，美国学者用核磁共振 (NMR)的方法，实现了核自旋量子态的隐形传送。2001年 ，美国Shih Y H团队在脉冲参量下转换中，利用非线性方法实施 Bell基的测量 ，完成量子隐形传态。2002年，澳大利亚学者将信息编码的激光束进行了“远距传物”。1997年，我国潘建伟和荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现了未知量子态的远程传输;2004年，潘建伟小组在国际上首次实现五光子纠缠和终端开放的量子态隐形传输，此后又首次实现了6光子、8光子纠缠态;2011年，在国际上首次成功实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，解决了量子通讯卫星的远距离信息传输问题。2012年9月，奥地利、加拿大、德国和挪威研究人员，实现了长达143公里的“隐形传输”。

2．3 量子安全直接通信(QSDC)

量子安全直接通信是指通信双方以量子态为信息载体，基于量子力学相关原理及量子特性，利用量子信道，在通信收发双方之间安全地、无泄漏地直接传输有效信息，特别是机密信息的通信技术［7］。

QSDC是量子通信技术的一个重要分支，主要用于直接传输机密信息。通信的收发双方无需事先建立安全密钥，就可以直接通过量子通道进行信息传输。QSDC与量子密钥分发的根本区别在于在量子信道中直接传递秘密信息，安全性要求比量子密钥分配高。

2000年，我国龙桂鲁和刘晓曙提出了第一个“高效两步”量子安全直接通信方案。2001年，Beige等人首次提出了确定的安全通信概念。随后，Bostrom提出“ping－pong”方案，这是第一个真正的QSDC方案;邓富国提出了基于 EPR纠缠的两步(Two－step)QSDC方案;Zhu提出了秘密传送有序量子的QSDC方案;Gu提出了具有身份认证、基于密集编码和在噪声下的QSDC方案等。近几年又又出现了一些基于W态的QSDC方案等。但总体而言，QSDC方案还存在非实时及其量子信道信息所需要的纠缠态、量子存储等技术还不成熟的问题。

2．4 量子机密共享(QSS)

量子机密共享是经典的机密共享在量子通信中的运用和发展［5］。1979年，Shamir和 Blakley分别提出了经典的机密共享概念，旨在对重要的密钥进行安全保护，使即便部分或全部密钥被第三方窃取也难以恢复出真实的密钥。其主要实现思路是，将原始密钥分割成多份，然后将多份密钥分别发给多个用户，每个用户都只能获取一份或多份密钥份额，只有在多个密钥分享者合作下，才能恢复出原始的密钥，不能满足上述条件的共享者将无法得到全部的密钥。通过使用机密共享方案，可以在分享机密信息的同时，防止不诚实用户的破坏企图。

量子机密共享是多个通信方之间通过多量子纠缠态实现的量子通信，但现实应用技术难度大，还基本处在理论研究阶段。1999年，Hillery，Buzek和Berthiaume提出了首个量子机密共享方案，随后，各国学者又相继提出了大约十几种理论方案，包括共享一个未知态的一些方案，并于2001年在实验上进行了演示。

3 量子通信技术发展面临的问题

量子通信技术研究和发展面临的问题主要有:①速率、传输距离、抗干扰性能有局限性。基于量子密钥分配或量子隐形传态的量子通信技术，在现有条件下，都不能或者极难超越经典通信系统在通信速率、通信距离、抗干扰等方面的性能。现有光量子传输速率仍达不到光纤传输的G比特每秒数量级。光纤量子密钥分发系统安全码率在50 km传输距离下达1 Mb/s，最远传输距离达300 km。未来量子通信技术要解决的重要技术问题是将码率提升至Gb/s量级，将传输距离提升至千公里量级。②理想的量子通信协议在现实技术条件下难以实现。就单光子通信而言，单光子源生成、量子态控制及量子测量等技术并不成熟，不能确保量子信道在不被察觉的情况下不被窃听。现有实验系统多采用想干态激光脉冲结合诱骗态协议，可替代理想单光子技术，基本确保系统的无条件安全性。然而，单光子态的制备、传输、存储、测量技术仍然是量子通信技术所需要重点突破的技术问题。就量子隐形传态技术而言，量子纠缠态的产生、传送和储存技术还没有完全攻克，仍处于实验室阶段。③量子通信技术在实际运用上还存在安全漏洞。尽管理论上量子密码不可破解，完全保密，但并由于实际系统所采用的非理想物理器件无法完全满足理论安全性分析中的数学物理模型，故实际系统仍存在安全漏洞。2008年，瑞典的拉森和挪威的马卡罗夫就分别指出了量子通信体系的漏洞，说明未来的量子通信体系仍存在一些不确定性，安全上存在漏洞。目前，研究者就实际量子密钥分发系统的光源、信道、探测端的非理想安全漏洞进行了理论和实验上的深入研究，通过拓展现有安全性分析理论或增加硬件监控模块可解决现有安全漏洞。此外，研究者针对实际系统安全性问题还提出了设备无关、半设备无关协议，从理论上基本解决了实际安全性问题，但其实验条件相对苛刻。量子通信的实际安全性研究、设备无关协议的安全性分析是当前量子通信技术的热点研究问题。④光子损耗及量子退相干问题。在对量子通信过程时，如何尽量减小光子损耗，保持量子特性不被破坏，减少量子退相干效应是目前技术难度较大的技术问题。⑤单光子探测技术问题。单光子探测技术还不成熟，需要研制高效率、高速率、低噪声的实用化单光子探测器，为红外单光子信息处理提供高灵敏度的探测手段。

4 结语

随着世界各国对信息安全的重视和对通信速率的旺盛需求，具有安全可靠和高速传输优势的量子通信，将是未来网络通信系统的主流通信技术。在单光子、量子探测、量子存储等量子通信关键技术获得发展和突破条件下，量子通信技术正逐步进入实用阶段。量子通信技术将在一些重要领域的通信保密中扮演十分重要的角色，成为21世纪通信领域发展的方向和热点。

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