新聞背景

　　2015年底，英國物理學會《物理世界》評選的2015年度國際物理學領域十項重大突破，名列榜首的就是中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究小組，在國際上首次成功實現“多自由度量子隱形傳態”。

　　量子通信，是近年來很熱門的一個詞匯，但大多數讀者對此都是云里霧里。這里我們就來做一點基本的科普。

　　什么是“量子”和量子通信

　　“量子”不是一種粒子，而是微觀世界的一種性質：物質或者粒子的能量和其他一些性質都傾向于不連續的變化。例如，當我們把通常光源發出的一束光通過衰減片進行反復衰減，其能量不斷減弱，最后就會成為一份一份不連續的能量顆粒，這樣不可分割的最小能量顆粒被稱為單光子或光量子。也就是說，光量子是構成光的最基本單元，是光能的最基本攜帶者，不可分割。

　　光在傳播的同時還在振動，例如沿水平方向振動或沿豎直方向振動。如果把水平振動狀態叫做“0”，豎直振動狀態叫做“1”，利用這兩個狀態就可以加載一個比特的信息。但與經典比特不同的是，光量子比特不但可以處于水平振動狀態(“0”)或豎直振動狀態(“1”)，還可以同時處于這兩個狀態的一種疊加狀態(“0+1”)，存在這種所謂的量子相干疊加，就是量子世界與經典世界的根本區別。

　　廣義地說，量子通信是指利用量子比特作為信息載體來傳輸信息的通信技術。由于利用了量子力學的基本原理，量子通信能夠在確保信息安全、增大信息容量等方面，突破經典信息技術的極限。量子通信內涵很廣泛，量子隱形傳態、量子保密通信、量子密集編碼等都屬于量子通信范疇，而量子保密通信是目前最接近實用化的量子信息技術。

　　量子保密通信為何不可破解

　　信息的安全傳送是千百年來人類的夢想之一，然而經典信息很容易被竊取，因此保障通信安全的主要方法就是對信息進行加密。人們已經發展了各種各樣的經典密碼和加密算法，它們主要是利用計算的復雜性來確保通信安全——竊聽者在沒有破解密鑰的情況下，在有限的時間內無法完成破譯所需的大量計算。

　　但是，數學的不斷進步，可能使得一些現在看起來無法利用數學方法破解的加密解密算法在未來得以破解。更為嚴峻的是，計算能力的提升速度和潛力，已遠遠超過了人們最初的想象，經典密碼加密技術對于通信安全的保障，也顯得遠非預期那樣可靠。

　　量子通信系統的問世，重新點燃了建造安全的通信系統的希望。

　　量子相干疊加會帶來奇特的量子特性。例如，對于一個未知狀態的單光子，要想精確復制它的狀態是不可能的，這稱為量子不可克隆原理。這是因為，若要對單光子的狀態進行復制，就要首先對其進行測量，但量子相干疊加決定了測量會對單光子的狀態產生擾動，因此無法獲得其狀態的精確信息，也就無法實現對其狀態的精確復制。單個光量子不可分割和量子不可克隆原理這些量子世界的奇特性質，保證了量子保密通信的安全性。

　　在量子保密通信過程中，發送方和接收方采用單光子的狀態作為信息載體來建立密鑰。由于單光子不可分割，竊聽者無法將單光子分割成兩部分，讓其中一部分繼續傳送，而對另一部分進行狀態測量獲取密鑰信息。又由于量子測不準原理和不可克隆定理，竊聽者無論是對單光子狀態進行測量或是試圖復制之后再測量，都會對光子的狀態產生擾動，從而使竊聽行為暴露。理論表明，通信雙方只要按照協議產生了密鑰，就一定是安全的。

　　建立量子通信網絡已有途徑

　　1984年，美國ibm公司的bennett和加拿大蒙特利爾大學的brassard共同提出了第一個量子密碼通信方案，即著名的bb84方案，標志著量子通信領域的誕生。但在早期階段，量子通信的安全通信距離只有10公里量級，不具有實用價值。

　　2005年，華人科學家王向斌、羅開廣、馬雄峰和陳凱等人，共同提出了基于誘騙態的量子密鑰分發實驗方案，從理論上把安全通信距離大幅度提高到100公里以上。

　　雖然采用誘騙態方案在光纖中可以實現城域量子通信網絡，但由于光子易被光纖吸收，造成損耗，導致信號在光纖傳送的過程中越來越弱;而量子保密通信的安全性正是建立在量子信號不能被復制(所以不能被放大)的基礎上。因此僅僅利用光纖難以實現遠距離的量子通信。

　　為了解決這個問題，有兩種可行的途徑。一種是利用所謂的“量子中繼”，形象化的說法即“量子接力”：將相距較遠的通信線路分為數段，每一段的損耗因此較小，然后在量子中繼的幫助下，把光子攜帶的信息一段段如同接力賽一樣向前傳遞。另一種是自由空間單光子傳輸。這是由于大氣對某些波長的光的吸收有限，到了外層空間則幾乎沒有光損耗，因此可以突破大氣層通過衛星的中轉實現數千公里甚至是全球化的量子通信。

　　總之，發展量子保密通信技術的終極目標，是構建廣域乃至全球范圍的絕對安全的量子通信網絡。通過光纖實現城域量子通信網絡連接一個中等城市內部的通信節點、通過中繼技術實現鄰近兩個城市之間的連接、通過衛星與地面站之間的自由空間光子傳輸和衛星平臺的中轉實現兩個遙遠區域之間的連接，是目前條件下實現全球廣域量子通信最理想的途徑。