從通訊到安全通訊，我們為什麼需要量子通訊？

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文｜陳根

從貝爾實驗室開始，到矽谷的崛起，再到電子計算機和遍佈全球的網際網路，人類文明正在一步一步地全面進入資訊時代。不過，目前的常規通訊多采用加密技術解決安全通訊問題。但密碼總存在被破譯的可能，尤其是在量子計算出現以後，採用並行運算，對當前的許多密碼進行破譯幾乎易如反掌。

可以說，如今，資訊傳輸，已經從“如何傳輸”，走入了“如何安全傳輸”的時代，而 量子通訊正是這一段資訊革命的直接繼承者 ——當前，基於量子金鑰分發與經典對稱密碼演算法相結合的量子通訊技術正在對計算、通訊領域產生重大影響，並越來越成為資訊時代的支援力量。

是什麼支撐了“量子通訊”？

上世紀中葉，人類以量子力學為基礎開始認識和利用微觀物理規律，推動產生了鐳射器、半導體和原子能等具有劃時代意義的重大科技突破。進入二十一世紀，量子技術更是與資訊科技深度融合，第二次“量子革命”正在到來。 作為量子革命的重要組成部分，所謂“量子通訊”就 是指利用量子糾纏效應進行資訊傳遞的一種新型的通訊方式 。

當前，我們已經知道，量子有許多經典物理所沒有的奇妙特性，量子糾纏就是其中突出的特性之一。在瞭解量子糾纏以前，一個更為人們所熟悉的現象，其實是“心靈感應”。簡單來說，就是兩個相距遙遠的陌生人不約而同地想做同一件事，好像互相的心靈之間能夠感應到對方的存在。

與“心靈感應”相類似，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樣的變化。一對粒子同步同樣變化的狀態，就是量子糾纏態。 處於量子糾纏的兩個粒子，無論分離多遠，它們之間都存在一種神祕的關聯，只要一個粒子的狀態發生變化，就能立即使另一個粒子的狀態發生相應變化 。也就是說，我們可以通過測量其中一個粒子的狀態來得知另一個的資訊。

量子的另一個奇妙特性是量子具有測量的隨機性和不可克隆的屬性——任何的測量都會破壞量子的本來狀態。從測量的隨機性來看，在量子力學裡，光子可以朝著某個方向進行振動，這就叫作偏振。因為量子疊加，一個光子可以同時處在水平偏振和垂直偏振兩個量子狀態的疊加態。 這時，如果我們拿一個儀器在這兩個方向上進行測量，就會發現每次測量都只會得到其中一個結果：要麼是水平的，要麼是垂直 的。測量的結果完全隨機。

並且，在日常的巨集觀世界裡，一個物體的速度和位置，一般是可以同時準確測定的。比如，我們要測量一架飛機，雷達就可以把飛機的速度、位置都準確測定。 然而，在量子世界，測量卻會破壞或改變數子的狀態。如果我們把一個量子的位置測準了，它的速度就無法再測準。 既然測量量子的狀態會出現隨機的結果，那麼人們自然也無法對一個不知道其狀態的量子進行復制。

在量子糾纏的特性以及量子測量的隨機性和不可克隆的特性下，量子通訊也就保證了安全。在量子密碼共享或量子態傳遞過程中，如果有人竊聽，它的狀態就會因竊聽（測量）發生改變，密碼接收的誤位元速率會明顯增加，從而引起傳送者和接收者的警覺，而停止該通道的傳送。

並且，由於量子具有測量的隨機性和不可複製的特性，因此幾乎不可能被破譯，因為傳統通訊的金鑰都是基於非常複雜的數學演算法，只要是通過演算法加密的，人們就可以通過計算進行破解。 而量子通訊則可以做到很安全，不被破譯和竊聽，這在數學上已經獲得了嚴格的證明。

可以說，作為新一代通訊技術，量子通訊為資訊提供無法被竊聽、無法計算破解的絕對安全保障。

天地一體的廣域量子網路

如前所述，我們已經知道，量子通訊是使用量子態攜帶所要傳送的資訊，並把量子糾纏作為通道，將該量子態從A地傳送到B第的一種通訊方式。另外，量子通訊按其所傳輸的資訊是經典還是量子又被分為兩類，即量子金鑰分發（QKD）和量子態隱形傳輸（QT）。

其中， 量子密匙分發 就 在資訊收發雙方進行安全的密匙共享，藉助一次一密的加密方式實現雙方的安全通訊 。利用量子的不可測性和不可克隆性，從而實現資訊的不可竊聽，這首先需要在收發雙方間實現無法被竊聽的安全金鑰共享，之後再與傳統保密通訊技術相結合完成經典資訊的加解密和安全傳輸。

量子態隱形傳輸 則是 基於量子糾纏態的分發與量子聯合測量實現量子態資訊的直接傳輸，在量子資訊的轉移過程中不移動資訊載體本身 。同經典通訊相類似，遠距離量子通訊會出現糾纏減弱。因此，量子態隱形傳輸還需要建立量子中繼以保證量子通訊通暢。

美國最早開始了量子通訊的研究，20世紀末，美國政府就將量子資訊列為“保持國家競爭力”計劃的重點支援課題，隸屬於政府的美國國家標準與技術研究所（NIST）將量子資訊作為三個重點研究方向之一。在政府的支援下，美國量子通訊產業化的發展也較為迅速。

1989年，IBM公司在實驗室中以10bps的傳輸速率成功實現了世界上第一個量子資訊傳輸實驗，雖然傳輸距離只有短短的32m，但卻拉開了量子通訊實驗的序幕。 2003年，美國國防部高階研究計劃署在BBN實驗室、哈佛大學和波士頓大學之間建立了DAPRA量子通訊網路，這 也 是世界上首個量子密碼通訊網路 。

該網路最初由6個量子金鑰分發（QKD）節點，後擴充至10個，最遠通訊距離達到29km。2006年，Los Alamos 國家實驗室又基於誘騙態方案實現了安全傳輸距離達107km的光纖量子通訊實驗。2009年，美國政府釋出的資訊科學白皮書中明確要求，各科研機構協作開展量子資訊科技研究。

2016年4月，美國國家科學基金會（NSF）將“量子躍遷-下一代量子革命”列為六大科研前沿之一。2016年8月，NSF對6個跨學科研究團隊給予了 1200萬美元資助，用於進一步推動量子安全通訊技術的發展。2016年9月，NSF釋出2017年研究與創新新興前沿專案（EFRI）的招標檔案，著重解決基礎工程挑戰，開發晶片級的裝置和系統，為實用化的量子儲存和中繼器的研製做準備，目標是實現可擴充套件的廣域量子通訊和應用。

過令人欣慰的是，今天中國在量子通訊領域已經毫無疑問地達到了世界頂尖水平，尤以中科大的潘建偉、郭光燦等小組最為有名。2016年，中國發射了世界首顆量子通訊衛星“墨子號”，成為轟動一時的大新聞。“墨子號”首次實現了衛星與地面之間量子通訊連線。

不過，發射衛星只是一個起點，在“巨集偉量子大廈”中，量子“京滬幹線” 隨後也 飛速搭建 了起來。 2017年世界首條量子保密通訊幹線——“京滬幹線”正式開通，量子“京滬幹線”總長2000多千米，有望在2030年左右，能建成全球化的廣域量子通訊網路，並在量子計算領域有所作為。

可以說，目前，在市場應用不斷突破下，天地一體的廣域量子網路已經指日可待。

量子通訊是經典通訊代替嗎？

目前，隨著量子通訊的發展與進步，保密措施變得越來越複雜、越來越可靠。人類也在致力於將量子保密通訊向更遠距離和更大規模的廣域網路發展。

比如， 量子通訊 就 對軍事、國防、金融等領域的資訊保安有著重大的潛在應用價值和發展前景。 在國防和軍事領域，量子通訊能夠應用於通訊金鑰生成與分發系統，向未來戰場覆蓋區域內任意兩個使用者分發量子金鑰，構成作戰區域內機動的安全軍事通訊網路。量子通訊不僅可用於軍事、國防等領域的國家級保密通訊，還可用於涉及祕密資料、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。

此外， 量子通訊 還能夠應用於資訊對抗，改進軍用光網資訊傳輸保密性，提高資訊保護和資訊對抗能力； 並能夠應用於深海安全通訊，為遠洋深海安全通訊開闢了嶄新途徑；利用量子隱形傳態以及量子通訊絕對安全性、超大通道容量、超高通訊速率、遠距離傳輸和資訊高效率等特點，將建立滿足軍事特殊需求的軍事資訊網路，為國防和軍事贏得先機。

而在國民經濟領域，量子通訊則可用於金融機構的隱匿通訊等工程以及對電網、煤氣管網和自來水管網等重要基礎設施的監視和通訊保障。

不過，值得一提的是，量子通訊雖然具有革命性的力量，但卻並不是為了取代傳統通訊而生。 量子通訊和傳統通訊是兩種不同的通訊形式，量子通訊是為了讓傳統的數字通訊變得更安全。

實際上，無論是量子金鑰分發，還是量子隱形傳態，都離不開一個需要經典通訊的“經典通道”。對於量子金鑰分發來說，收發雙方需要通過經典通道比對測量方式，從隨機的測量方式中挑選出一樣的那部分，只有這部分的量子測量出的結果才能作為無條件安全的量子金鑰使用。

對於量子隱形傳態來說，收發雙方同樣需要通過經典通道比對測量方式，這樣接收方才能做出正確的操作，正確還原出傳輸的量子位元。量子隱形傳態利用的是量子糾纏，這個經典通道的存在使得單純靠量子糾纏無法傳送量子位元，因此超過光速的量子糾纏無法超光速傳遞資訊，這樣就不會違反相對論。

可以說，量子通訊其實是經典通訊之外的一個新戰場，和一個新的發展機遇。對於通訊產業來說，經典通訊就好比是煤炭燃燒的化學能，量子通訊就好比是電能。大部分電能離不開化學能，而量子通訊也離不開經典通訊。

並且，電能還將對化學能有所繼承和發展，使得電能可以應用在更多的地方，更好地去控制機器，並且能夠處理和傳輸資訊。而量子通訊對經典通訊的繼承和發展， 一方面，就是讓經典通訊變得更安全，資訊不會被半路截獲；另一方面，量子位元還可以突破經典數字通訊的限制，讓資訊傳輸變得更高效 。

說到底，量子通訊的魅力就在於其可以突破現有的經典資訊系統的極限，這在缺乏資訊保安的當下，是極大的安全感。從理論走向現實應用，量子通訊，正在升級資訊時代，引發一場關於通訊的技術變革。