量子通信技术研究现状

李赓

（长春理工大学电子信息工程学院，吉林 长春 100732）

0 引言

量子通信和经典通信一样，存在着一定的无条件可靠、高效、容量大等优点。量子通信基本思路是将原物的信号分为经典信息和量子信号二部分，并且分别由经典信道和量子通道传输给接受方。目前，量子通信的主要技术包括量子密钥分发和量子隐形传态。量子通信技术是指利用了波粒二象性基本原理实现的一类通信技术，因为量子通信的消息载体一般都是量子态，而其运动、传播和相互作用都要遵循发出的磷光基本原理。从理论上可以证明，即使遭到攻击，量子通信技术仍可保证通信双方安全的交换信息。图1为量子通信发展状况。现在，量子通信技术已应用在政府[1]、军队、国防工业、金融机构以及信息安全等领域中，均有着重要的运用[2]。

图1 量子信息传输的研究范畴

1 量子技术领域分类

1.1 量子密钥分发

现实中，量子密钥分发是根据量子力学的一些基本原理来保证系统的安全。为实现量子保密通信，量子密钥分发协议于1984年首先提出，如图2所示[3]。通过基于量子纠缠的量子密钥分发，通信用户之间可以直接生成通信密码，且纠缠源不需要掌握关于密钥的相关信息。这种方式也从根本上解决了量子纠缠通信源端的安全加密问题，也就是说，即使卫星信号被劫持，或通信设备完全受到加密控制，基于量子纠缠的各种量子通信密钥仍是安全的。

图2 量子密钥分发

量子密钥分发技术的商业化得到了银行的大力支持，2017年3月，中国农业银行启动了量子通信试点应用项目，2018年2月完成农业银行量子通信网络的搭建，6月实现了试点业务系统在量子加密通道上的传输，提高了试点业务系统的高可用性。量子通信技术已在银行安全领域广泛应用，助力农业银行网络信息安全水平的进一步提升。徽商银行安徽分公司也顺利运用了量子通信技术，完成了该行与美国国家金融服务认证中心(CFCA)之间对数字认证信息系统端到端的加密功能。中国银行先后参与了量子“京沪干线”外地应用，上海陆家嘴量子金融网实现了同城应用，人民银行人民币跨境收纳系统的量子应用也在建设。另外，根据电子支付体系的加解码要求，中央清算总管理中心提供了一个全新的量子密钥应用场景：将量子密钥解码到业务系统的应用层。清算总管理中心已经开发和建立了量子密钥分配体系。目前，支付消息发送平台通过通用指挥中心通信软件(PMTS-N2N)完成与量子密钥系统的连接，并从量子密钥系统中提取量子密钥，对消息进行加密。

1.2 量子隐形传态

量子隐形传输是指量子状态从一个地方传播到另一个地方的“无实体”转换，传播的对象是量子比特，是远距离量子通信和分布式量子计算的核心功能单元[4]。1997年，奥地利Zeilinger组织率先实现了对未知量子隐形的外传态远程通信；2011年，在世界上第一个完成了百千米量级的自由空气量子隐形传态与缠绕分配，并解答了地面通信运载火箭的中长距离信号传播问题；2018年，与欧盟量子旗舰计划合作建立欧洲量子互联网联盟(QIA)。2019年，南京大学报道了中国基于无人驾驶飞行器开展的空气量子缠绕分配实验和观测试验，无人驾驶飞行器携带光学发射机载荷，完成了与地面接收站点间200m间距的空气量子缠绕分配测量[5]（图3）。2020年，中国科学院郭光灿博士及其队伍用六光子系统实验，完成了最有效的高维量子隐形传态。同年，美国科研团体也率先在44km的距离上实现了保真度超过90%的量子隐身传态。不过，量子隐身传态研究目前仍大多局限于不同平台和环境条件下的试验研究中，离真正实用还有一定距离。

图3 基于无人机的光学中继量子纠缠分发系统示意图

1.3 量子通信网络

第一次多用户量子通信网络实验是Towsend等人于1997年进行的，该实验以量子通信终端为网络控制器，通过光共分器实现了多用户密钥分配。2008年，欧洲SECOQC量子通信网络成功演示运行。2009年，瑞士的日内瓦国际量子通信网络系统已经完工建造并在随后工作了大约一年半的时间[6]。至2019年初，国家电网公司已通过该网，建设了超过2600km的量子密钥分发信道，并完成了电量通信资料数据加密传输，第一次在工程上成功试验了星地量子通信开展现实服务的可能性。现今，在“墨子号”量子通信实验卫星和京泸干道的相互作用下，我国正式完成了4600km的量子秘密通信网络系统，建立了全球上首个天下合一的广域量子通信网络系统雏形。现在，“京泸干线”光纤网络已经开始给附近的居民提供应用。上海交通大学与江西师范大学的合作团队采用了量子安全直接通信原理，首次实现了在互联网中十五个应用间的安全通信，该实验为未来的通信网络提供了重要的技术支持。

2 量子通信技术发展历程

量子通信的全称是“量子加密通信”，以量子状态传输实现为基础，应用领域广泛，量子密码通信是其中之一。由于量子通信系统利用了量子的叠加态机理，密钥全部随机，无法检出，因此，与经典通信相比，安全系数可以提高。量子通信协议技术是目前实现全球量子空间通信的重要技术基础。目前，已经发展出各种通信协议，如纠缠光子信息的量子隐形传态通信协定、量子密集编码通信协定，采用单光子信息的BB84量子通信协议、B92协议和六态量子通信协议等[7]，以及使用了连续变量函数信息的连续变量量子隐形传态接口平台、连续变量量子密集编码接口平台等。2010年，由我国科大与清华学院联合的自由空气量子通信试验成功，使通信距离由几百米的纪录进一步突破到16km。2012年，中国第一次顺利进行了百千米量级的自主空间量子的隐形传态和纠缠传播，为星地间的量子通信关键技术研制提供了坚实基础[8]。2013年，中国科学技术研究所完成了星地密钥分配实验[9]。2016年8月16日“墨子号”成功起飞，在当今世界上领先完成了月球与地底内部的量子通信，并形成了天地合一的量子保密通信和科学实验系统；分别于2017年6月、8月，“墨子号”运载火箭分别在全球上率先成功进行千公里级运载火箭与地面间的量子纠缠传播、量子密钥分配及其量子隐形数据传输。2017年，当今世界上第一条无线量子保密通信系统“京泸干线”建成。2020年，中国“墨子号”无线量子科学实验探测卫星在境内国际上率先完成了基于量子纠缠技术的千公里毫秒级无线量子密钥及时分发，将以往基于地面无中继器的量子保密信息通信的量子空间探测距离精度提高了一个新的数量级。可以说，量子通信技术的发展速度非常快，从中国城域通信到城际、陆地到太空卫星，量子通信的科学实验和技术落地在不断探索取得新的进展。

3 量子通信技术中存在的问题

3.1 单光子源

在已知的量子通信光源中,单光子源是完全安全的[10]。但是，目前实际上可以控制的电激发的单光子源尚未成功研究，制约当前技术水平的因素在量子点光源的规模、形态一致性、光的发光特性、光谱的单色等方面存在诸多困难。

3.2 光分存储器

目前，光量子通信存储器等关键技术始终是整个量子通信网络发展的难题，现今还处于理论研发和实验室验证的阶段，暂时还无法应用到通信技术中。

3.3 量子中继技术

如图4所示，量子中继的特点是，相距较远的两个节点之间的相互纠缠能够透过两个距离较近的纠缠态进行纠缠转换而实现。量子中继技术在研究领域方面已提供了多种方式，而在工程实践方面，受限于光纤的固有衰减及光与原子纠缠亮度低等技术瓶颈，通信距离有限。

图4 量子中继

3.4 量子通信系统的稳定性

由于技术设备等问题，可能受到攻击导致信息被窃取，系统还有提升空间[11]。

3.5 标准化难度大

标准化是将量子通信由实用化走向产业化的重要步骤，但目前量子通信涉及众多新技术，从理论到实际应用有太多未知因素，这给量子通信的标准化带来了诸多困难[12]。

4 量子通信技术的前景

当前中国已经实现了量子通信在电力、国家安全、金融等方面的应用，还将延伸到互联网、云计算、供应链及5G[13]等方面。从长远目标分析，随着我国新推出的量子卫星科技、量子中继、量子计算技术、量子传感器等新兴技术应用的实现与突破，中国通过建立量子通讯网将进行分布式网络的量子计算机与量子传感器联接，还将逐渐形成包括量子云计算技术、量子传感网等许多崭新的科技应用。对量子通信过程来说，最易于建立和实现的信息技术便是光纤量子信道，而通过光缆科学技术构建出来的量子信道则具备了传输平稳，容易实现等许多优势。与采用光缆科学技术的量子通信技术不同，其是采用独立空间结构的量子通信技术。图5表示了一种可以通过与地球卫星平行中转的全球量子高速通信网络实现解决方案，利用这个实现方法，就能够在星球上的任何两点间形成高速量子互联网通道，实现全球覆盖乃至全球的高速量子网络通信。基于全球星地量子空间通信和基于星地量子空间中继的覆盖，全球星地量子空间通信网络服务的逐步建立，将导致全球的通讯网络产生巨大的变革，在全球范围内所有必须严格保密的消息都将被更加方便的传播，信息流的安全性也将到达前所未有的高度。量子通信未来将扩展到航天领域[14]、深海领域[15-16]等特殊应用领域。

图5 利用卫星实现远距离度量子通信实验

5 结语

本文对量子通信的原理、应用和前景做了简单介绍。随着现代科技越来越成熟，量子通信技术也在不断的进步发展和完善之中，其在金融业已经开始了应用，并且正在走入更多实际应用场景。当前，该技术已经成为未来国家科技发展的重要领域之一，具备着巨大的技术潜力和广阔的应用市场，但是仍面临着许多的技术难题，需要研究人员不断努力攻克。同时该技术未来更多是聚焦在量子通信的实际应用上，加快量子技术与各行业深度融合，让量子通信进入更多全新领域，发挥其应有的重要作用。