淺談量子通信發展
發布日期:2016/9/7 9:35:08 | 瀏覽次數:10445 來源:特發信息副總經理 羅濤一、何為量子通信
量子通信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，是近20年發展起來的新型交叉學科，是量子論和信息論相結合的新的研究領域。
通俗地說，量子糾纏就像心電感應。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時同樣變化，這一對粒子同步同樣變化的狀態，就是量子糾纏態。利用這一原理，人們可以制備出一對糾纏粒子，把它們一個放在北京，一個放在上海，當北京的粒子一動，上海的粒子立刻就接收到信息，這就是量子通信。
二、量子通信行業發展
任何經典通信都存在被竊聽的可能性。2015年《紐約時報》報道，美國國家安全局被曝監聽谷歌、雅虎用戶的通信，不需要侵入兩家公司的數據中心，只需截取光纜、電纜中傳輸的信息即可。這些跨國企業的數據中心分布在世界各地，用光纜和電纜相互連接，很多情況下傳輸信息并不加密，埋下了竊聽隱患。即便采用經典加密手段，也不能確保信息安全。
與經典通信不同，量子通信可以將信息編碼，加載到單個光子的量子疊加態的偏振方向上。單光子是光能量的最小組成單元，不能被再分割，量子狀態無法被精確復制，任何竊聽行為都會對其造成擾動，從而被通信雙方察覺并規避。通過量子態傳輸，通信雙方協商生成量子密鑰，再加上對信息進行“一次一密”的加密保護，真正實現信息在傳輸中的完全隨機、不可破譯，從根本上解決通信安全問題。
中國科大陸朝陽教授預測，未來數年內，量子通信將實現大規模應用。經典通信的硬件設施不會被取代，只需在原有設施上“錦上添花”——在通信發送端和接收端安裝單光子探測器、量子網關等量子加密設備，即可在電話、傳真、光纖網絡等原有通信網絡中實現量子通信，安全性大幅提升。
根據量子通信在信息保密方面的特性，量子通信在軍事、國防、金融等信息安全領域有著重大的應用價值和前景，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，而技術又相對成熟，未來市場容量極大。
三、量子通信市場應用前景
從量子通信現階段的發展來看，在國內還屬于實驗轉測試階段。但考慮到國家對信息安全的強調和提升信息安全的急迫性，我國已經開始建設世界最遠距離的量子通信干線--北京-上海量子通信干線。這條量子通信干線將首先為政府及金融機構提供安全信息傳輸，同時也具有一定的實驗與測試目的。
未來，量子通信首先應用在政府、公用事業以及金融行業等安全需求較高的行業，運用的項目為密鑰分配和安全管理。隨著傳統通信的繼續發展，量子通信將會向數據傳輸方面延伸，利用其高效性與及時性對傳統通信進行替代。可以預計，主要應用的有四個市場：
（一）城域網。受制于經典通信的限制，量子通信的實驗一開始只是在單個城市，其工作半徑在50km以內，出于試建的目的，量子通信可能最先在城域內進行組網建設。
（二）廣域網。在廣域網中進行通信安全級別設置，在最高級別中運用量子通信，達到一些客戶的對安全性的需求。
（三）專網。專網通信對信息安全的要求很高，但是基于現階段的標準并不能做到事中信息安全防護。如果在量子通信輔助信道可達的情況下，運用量子通信來加強專網通信的安全性是一個可選之路。
（四）對空、對天、對潛應用。對空、對天、對潛通信具有高成本、效率低等特點，引入量子通信以后，可以利用其無通信介質限制、高效的特點進行信息互通，從而解決現在所面臨的難題。
四、我國量子通信發展現狀
我國從2001年開始，在科技部“973”計劃、“863”計劃、國家自然科學基金重點項目、中科院知識創新工程重大項目的前瞻性支持下，量子通信科研方面取得了許多重要研究成果。已將以量子通信系統為核心的量子調控技術列入了《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020)》中重大研究計劃。
中科大潘建偉教授是國內量子通信的領軍人物，2004年其團隊在國際上首次實現了五光子糾纏和終端開放的量子態隱形傳輸，這一成果被《自然》雜志發表，并同時入選英國物理學會和美國物理學會評選出的年度國際物理學重大進展。2007年在國際上首次實現了安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發，2008年實現了國際上首個全通型量子通信網絡，2012年建成首個規模化量子通信網絡。
中國計劃在2030年建成全球化的量子通信網絡，因此在2011年啟動了量子科學實驗衛星的研制，2016年8月16日，已完成發射，在世界上首次實現衛星和地面之間的量子通信，構建一個天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系。2013年啟動了光纖量子通信骨干網工程“京滬干線”項目，預計2016年9月底完成全部應用系統交付，并開始全系統上線聯調，年底完成項目總驗收，建成后將廣泛用于金融、政務等領域信息的安全傳輸。
五、量子通信對光纖光纜行業影響
與目前成熟通信技術相比，量子通信優越性明顯，保密性強，大容量，遠距離傳輸也是其一大特點。量子通信不僅在軍事、國防等領域具有重要作用，而且會極大地促進國民經濟的發展，早就被認為是未來通信技術的發展方向，中國在這一領域的核心技術已經領先世界，量子保密通信的應用范圍很廣，凡需要保密的內容都可以用。只需要在現有的光纜上加一個量子技術，就能實現在光纖網絡上的所有傳遞信息的保密。
一旦“京滬干線”量子通信工程及量子科學實驗衛星實驗成功，需要高等級保密需求的諸如金融、政府、軍隊等部門將會摒棄現有專網保密系統，轉而新建光纖量子通信專網或改造舊有專網系統。
因此，量子通信的應用并不是拋棄現有的光纖網絡，而是以光纖網絡為載體，用量子密鑰增加信息傳輸的保密性。未來隨著人們對信息傳輸需求的增強，作為信息傳輸載體的光纜還將繼續被使用。