量子通訊

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。量子通訊是近二十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。量子通信主要涉及:量子密碼通信、量子遠程傳態和量子密集編碼等，近來這門學科已逐步從理論走向實驗，并向實用化發展。高效安全的信息傳輸日益受到人們的關注。基于量子力學的基本原理，并因此成為國際上量子物理和信息科學的研究熱點。

光量子通信主要基于量子糾纏態的理論，使用量子隱形傳態(傳輸)的方式實現信息傳遞。根據實驗驗證，具有糾纏態的兩個粒子無論相距多遠，只要一個發生變化，另外一個也會瞬間發生變化，利用這個特性實現光量子通信的過程如下:事先構建一對具有糾纏態的粒子，將兩個粒子分別放在通信雙方，將具有未知量子態的粒子與發送方的粒子進行聯合測量(一種操作)，則接收方的粒子瞬間發生坍塌(變化)，坍塌(變化)為某種狀態，這個狀態與發送方的粒子坍塌(變化)后的狀態是對稱的，然后將聯合測量的信息通過經典信道傳送給接收方，接收方根據接收到的信息對坍塌的粒子進行幺正變換(相當于逆轉變換)，即可得到與發送方完全相同的未知量子態。

經典通信較光量子通信相比，其安全性和高效性都無法與之相提并論。安全性-量子通信絕不會"泄密"，其一體現在量子加密的密鑰是隨機的，即使被竊取者截獲，也無法得到正確的密鑰，因此無法破解信息;其二，分別在通信雙方手中具有糾纏態的2個粒子，其中一個粒子的量子態發生變化，另外一方的量子態就會隨之立刻變化，并且根據量子理論，宏觀的任何觀察和干擾，都會立刻改變量子態，引起其坍塌，因此竊取者由于干擾而得到的信息已經破壞，并非原有信息。高效，被傳輸的未知量子態在被測量之前會處于糾纏態，即同時代表多個狀態，例如一個量子態可以同時表示0和1兩個數字，7個這樣的量子態就可以同時表示128個狀態或128個數字:0~127。光量子通信的這樣一次傳輸，就相當于經典通信方式的128次。可以想象如果傳輸帶寬是64位或者更高，那么效率之差將是驚人的2的N次方，以及更高。

這里進一步解釋一下量子糾纏。量子糾纏可以用"薛定諤貓"來幫助理解:當把一只貓放到一個放有毒物的盒子中，然后將盒子蓋上，過了一會問這個貓現在是死了，還是活著呢?量子物理學的答案是:它既是死的也是活的。有人會說，打開盒子看一下不就知道了，是的，打開盒子貓是死是活確實就會知道，但是按量子物理的解釋:這種死或者活著的狀態是人為觀察的結果，也就是人的宏觀干擾使得貓變成了死的或者活的了，并不是盒子蓋著時的真實狀態，同樣，微觀粒子在不被"干擾"之前就一直處于"死"和"活"兩種狀態的疊加，也可以說是它既是"0"也是"1"。

量子通信具有高效率和xxx安全等特點，是此刻國際量子物理和信息科學的研究熱點。追溯量子通信的起源，還得從愛因斯坦的"幽靈"--量子糾纏的實證說起。

由于人們對糾纏態粒子之間的相互影響一直有所懷疑，幾十年來，物理學家一直試圖驗證這種神奇特性是否真實。

1982年，法國物理學家艾倫·愛斯派克特(Alain Aspect)和他的小組成功地完成了一項實驗，證實了微觀粒子"量子糾纏"(quantum entanglement)的現象確實存在，這一結論對西方科學的主流世界觀產生了重大的沖擊。從笛卡兒、伽利略、牛頓以來，西方科學界主流思想認為，宇宙的組成部份相互獨立，它們之間的相互作用受到時空的限制(即是局域化的)。量子糾纏證實了愛因斯坦的幽靈--超距作用(spooky action in a distance)的存在，它證實了任何兩種物質之間，不管距離多遠，都有可能相互影響，不受四維時空的約束，是非局域的(nonlocal)，宇宙在冥冥之中存在深層次的內在聯系。

在量子糾纏理論的基礎上，1993年，美國科學家C.H.Bennett提出了量子通信(Quantum Teleportation)的概念。量子通信是由量子態攜帶信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子糾纏原理實現保密通信過程。量子通信概念的提出，使愛因斯坦的"幽靈(Spooky)" --量子糾纏效益開始真正發揮其真正的威力。

1993年，在貝內特提出量子通信概念以后，6位來自不同國家的科學家，基于量子糾纏理論，提出了利用經典與量子相結合的方法實現量子隱形傳送的方案，即將某個粒子的未知量子態傳送到另一個地方，把另一個粒子制備到該量子態上，而原來的粒子仍留在原處，這就是量子通信最初的基本方案。量子隱形傳態不僅在物理學領域對人們認識與揭示自然界的神秘規律具有重要意義，而且可以用量子態作為信息載體，通過量子態的傳送完成大容量信息的傳輸，實現原則上不可破譯的量子保密通信。

1997年在奧地利留學的中國青年學者潘建偉與荷蘭學者波密斯特等人合作，首次實現了未知量子態的遠程傳輸。這是國際上首次在實驗上成功地將一個量子態從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實驗中傳輸的只是表達量子信息的"狀態"，作為信息載體的光子本身并不被傳輸。

經過二十多年的發展，量子通信這門學科已逐步從理論走向實驗，并向實用化發展，主要涉及的領域包括:量子密碼通信、量子遠程傳態和量子密集編碼等。

量子通信系統,按其所傳輸的信息是經典還是量子而分為兩類。前者主要用于量子密鑰的傳輸，后者則可用于量子隱形傳態和量子糾纏的分發。所謂隱形傳送指的是脫離實物的一種"完全"的信息傳送。從物理學角度，可以這樣來想象隱形傳送的過程:先提取原物的所有信息，然后將這些信息傳送到接收地點，接收者依據這些信息，選取與構成原物完全相同的基本單元，制造出原物完美的復制品。但是，量子力學的不確定性原理不允許精確地提取原物的全部信息，這個復制品不可能是完美的。因此長期以來，隱形傳送不過是一種幻想而已。

1993年，6位來自不同國家的科學家，提出了利用經典與量子相結合的方法實現量子隱形傳態的方案:將某個粒子的未省量子態傳送到另一個地方，把另一個粒子制備到該量子態上，而原來的粒子仍留在原地。其基本思想是:將原物的信息分成經典信息與量子信息兩部分，它們分別經由經典通道與量子通道傳送給接收者。經典信息是發送者對原物質進行某一種測量而獲得的，量子信息是發送者在測量里未提取的其余信息;接收者在獲得這兩種信息之后，就可以制備出原物量子態完全復制品。這個過程中傳送的僅僅是原物質的量子態，而不是原物本身。發送者甚至可以對這一個量子態一無所知，而接收者是將別的粒子處于原物的量子態上。

在這個方案中，糾纏態的非定域性起著至關重要的作用。量子力學是非定域的理論，這一點已被違背貝爾不等式的實驗結果所證實，因此，量子力學展現出許多反直觀的效應。在量子力學中能夠以這樣的方式制備兩個粒子態，在它們之間的關聯不能被經典地解釋，這樣的態稱為糾纏態，量子糾纏指的是兩個或多個量子系統之間的非定域非經典的關聯。量子隱形傳態不僅在物理學領域對人們認識與揭示自然界的神秘規律具有極其重要意義，而且能用量子態作為信息載體，通過量子態的傳送實現大容量信息的傳輸，實現原則上不可破譯的量子保密通信。

1997年，在奧地利留學的中國青年學者潘建偉和荷蘭學者波密斯特等人合作，首次實現了未知量子態的遠程傳輸。這是國際上xxx次在實驗上成功地將一個量子態從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實驗中傳輸的只是表達量子信息的"狀態"，作為信息載體的光子本身并沒有被傳輸。邇來，潘建偉及其合作者在如何提純高品質的量子糾纏態的研究中又取得了新突破。為了進行遠距離的量子態隱形傳輸，往往需要事先讓相距遙遠的兩地共同擁有xxx量子糾纏態。但是，由于存在各種不可避免的環境噪聲，量子糾纏態的品質會隨著傳送距離的增加而變得越來越差。因此，如何提純高品質的量子糾纏態是此刻量子通信研究中的重要課題。

國際上許多研究小組都在對這一課題進行研究，并提出了一系列量子糾纏態純化的理論方案，但是沒有一個是能用現有技術實現的。后來潘建偉等人發現了利用現有技術在實驗上是可行的量子糾纏態純化的理論方案，此刻原則上解決了時下在遠距離量子通信中的根本問題。這項研究成果受到國際科學界的高度評價，被稱為"遠距離量子通信研究的一個飛躍"。

我國從上世紀80年xxx始從事量子光學領域的研究，近幾年來，中國科學技術大學的量子研究小組在量子通信方面取得了突出的成績。

2003年,韓國、中國、加拿大等國學者提出了誘騙態量子密碼理論方案,徹底解決了真實系統和現有技術條件下量子通信的安全速率隨距離增加而嚴重下降的問題。

2006年夏,我國中國科學技術大學教授潘建偉小組、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室、歐洲慕尼黑大學-維也納大學聯合研究小組各自獨立實現了誘騙態方案，同時實現了超過100公里的誘騙態量子密鑰分發實驗，由此打開了量子通信走向應用的大門。

2008年底，潘建偉的科研團隊成功研制了基于誘騙態的光纖量子通信原型系統，在合肥成功組建了世界上xxx3節點鏈狀光量子電話網，成為國際上報道的xxx安全的實用化量子通信網絡實驗研究的兩個團隊之一(另一小組為歐洲聯合實驗團隊)。

2009年9月，潘建偉的科研團隊正是在3節點鏈狀光量子電話網的基礎上，建成了世界上xxx全通型量子通信網絡，首次實現了實時語音量子保密通信。這一成果在同類產品中位居國際先進水平，標志著中國在城域量子網絡關鍵技術方面已經達到了產業化要求。

全通型量子通信網絡是一個5節點的星型量子通信網絡，克服了量子信號在商用光纖上傳輸的不穩定性是量子保密通信技術實用化的主要技術障礙，首次實現了兩兩用戶間同時進行通信，互不影響。該網絡用戶間的距離可達20公里，可以覆蓋一個中型城市;容納了互聯互通和可信中繼兩種重要的量子通信組網方式，并實現了上級用戶對下級用戶的通信授權管理。

該成果首次全面展示和檢驗了量子通信系統組網和擴展的能力，標志著大規模可擴展網絡量子通信技術的成熟，將量子通信實用化和產業化進程又向前推進了一大步。據稱，潘建偉團隊將與中國電子科技集團公司第38研究所等機構合作，在合肥市及周邊地區啟動建設一個40節點量子通信網絡示范工程，為量子通信的大規模應用積累工程經驗。

中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室的潘建偉教授及其同事，利用冷原子量子存儲技術在國際上首次實現了具有存儲和讀出功能的糾纏交換，建立了由300米光纖連接的兩個冷原子系綜之間的量子糾纏。這種冷原子系綜之間的量子糾纏可以被讀出并轉化為光子糾纏以進行進一步的傳輸和量子操作。該實驗成果完美地實現了長程量子通信中亟需的"量子中繼器"，向未來廣域量子通信網絡的最終實現邁出了堅實的一步。

2010年，中國科學技術大學和清華大學的研究人員完成了一項創舉，他們的自由空間量子通信實驗將通信距離從先前的數百米記錄一步跨越到16公里。此刻，中國科學技術大學上海研究院的研究人員再次創造了新紀錄，他們將通信距離擴大到了97公里，橫跨中國的一個湖泊。報告發表在預印本網站上。研究人員在海拔約4000米的青海剛察湖上完成了這次自由空間信道量子實驗，他們不是在湖這邊發射光子，然后讓它在湖對岸重新出現，而是利用量子糾纏--即兩個量子態互相影響的粒子--在新地點重新創造出相同的量子比特。他們在四個多小時內向97公里外遠距傳輸了1100多個光子。將量子通信距離延長到100公里意味著可以從地面與衛星進行通信，全球范圍的量子通信正在變成現實。

量子信息因其傳輸高效和xxx安全等特點，被認為可能是下一代IT技術的支撐性研究，并成為全球物理學研究的前沿與焦點領域。基于我國2001年以來在量子糾纏態、糾錯、存儲等核心領域的系列前沿性突破，中科院于2011年啟動了空間科學戰略性先導科技專項，力爭在2015年左右發射全球首顆"量子通訊衛星"。

中國量子領域的首席科學家潘建偉

中國科學技術大學教授潘建偉、彭承志、陳宇翱等人，與中科院上海技術物理研究所王建宇、光電技術研究所黃永梅等組成聯合團隊，于2011年10月在青海湖首次成功實現了百公里量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發。實驗證明，無論是從地面指向衛星的上行量子隱形傳態，還是衛星指向兩個地面站的下行雙通道量子糾纏分發均可行，為基于衛星的廣域量子通信和大尺度量子力學原理檢驗奠定了技術基礎。

在高損耗的地面成功傳輸100公里，意味著在低損耗的太空傳輸距離將可以達到1000公里以上，基本上解決了量子通訊衛星的遠距離信息傳輸問題。已量子通訊衛星核心技術的突破，也表明未來構建全球量子通信網絡具備技術可行性。

2013年10月，中國科學技術大學郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室在高維量子信息存儲方面取得重要進展:該實驗室史保森教授領導的研究小組在國際上首次實現了攜帶軌道角動量、具有空間結構的單光子脈沖在冷原子系綜中的存儲與釋放。這項研究成果在線發表在《自然·通訊》上。

類比于傳統的電子通信中為了補償電信號衰減而進行整形和放大的電子中繼器，奧地利科學家在理論上提出，可以通過量子存儲技術和量子糾纏交換和純化技術的結合來實現量子中繼器，從而最終實現大規模的長程量子通信。量子存儲的實驗實現卻一直存在著很大的困難。為了解決量子存儲問題，國際上人們做了大量的研究工作。比如段路明及其奧地利、美國的合作者就曾于2001年提出了基于原子系綜的另一類量子中繼器方案。由于這一方案具有易于實驗實現的優點，受到了學術界的廣泛重視。然而，隨后的研究表明，由于這一類量子中繼器方案存在著諸如糾纏態對信道長度抖動過于敏感、誤碼率隨信道長度增長過快等嚴重問題，無法被用于實際的長程量子通信中。

為了解決上述困難，潘建偉、陳增兵和趙博等在理論上提出了具有存儲功能、并且對信道長度抖動不敏感、誤碼率低的高效率量子中繼器方案。同時，潘建偉研究小組與德國、奧地利的科學家經過多年的合作研究，在逐步實現了光子-原子糾纏、光子比特到原子比特的量子隱形傳態等重要階段性成果的基礎上，最終實驗實現了完整的量子中繼器基本單元。

作為新一代通信技術，量子通信基于量子信息傳輸的高效和xxx安全性，成為近幾年來國際科研競爭中的焦點領域之一。合肥城域量子通信試驗示范網于2010年7月啟動建設，投入經費6000多萬元。經過中國科學技術大學和安徽量子通信技術有限公司科研人員歷時1年多的努力，項目建成后試運行，各項功能、指標均達到設計要求。該項目2012年3月29日通過安徽省科技廳組織的專家組驗收，30日正式投入使用。

具有46個節點的量子通信網覆蓋合肥市主城區，使用光纖約1700公里，通過6個接入交換和集控站，連接40組"量子電話"用戶和16組"量子視頻"用戶。此刻主要用戶為對信息安全要求較高的政府機關、金融機構、醫療機構、軍工企業及科研院所，如合肥市公安局、合肥市應急指揮中心、中國科學技術大學、合肥第三人民醫院及部分銀行網點等。

合肥量子通信網的建成使用，標志著我國繼量子信息基礎研究躋身全球一流水平后，在量子信息先期產業化競爭中也邁出了重要一步。此刻，我國北京、濟南、烏魯木齊等城市的城域量子通信網也在建設之中，未來這些城市將通過量子衛星等方式聯接，形成我國的廣域量子通信體系。

近年來，隨著以科大國盾量子系列產品為代表的量子通信基礎設備日臻成熟，一批面向應用平臺開發并致力于探索商業化推廣量子安全通信服務的企業不斷涌現，神州量子、蘇州科達、中經量通、中創為、九州量子、合肥基點量子等就是這樣的開拓者。

中國是世界上率先把量子通信產業化的國家，據了解，量子通信不僅可以用于軍事、國防等領域的xxx保密通信，還可以用于涉及秘密數據、企業機密、包括政府金融、電信、保險、證券、銀行、工商、財政等領域和部門，而如果技術又正好成熟，未來應用市場前景將異常廣闊。

我國科學家潘建偉等人近期在國際上首次成功實現百公里量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發，為發射全球首顆“量子通訊衛星”奠定技術基礎。

量子信息因其傳輸高效和xxx安全等特點，被認為可能是下一代ＩＴ技術的支撐性研究，并成為全球物理學研究的前沿與焦點領域。基于我國近１０年來在量子糾纏態、糾錯、存儲等核心領域的系列前沿性突破，中科院于２０１１年啟動了空間科學戰略性先導科技專項，力爭在２０１５年左右發射全球首顆“量子通訊衛星”。

中國科學技術大學教授潘建偉、彭承志、陳宇翱等人，與中科院上海技術物理研究所王建宇、光電技術研究所黃永梅等組成聯合團隊，于２０１１年１０月在青海湖首次成功實現了百公里量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發。實驗證明，無論是從地面指向衛星的上行量子隱形傳態，還是衛星指向兩個地面站的下行雙通道量子糾纏分發均可行，為基于衛星的廣域量子通信和大尺度量子力學原理檢驗奠定了技術基礎。