【摘要】 量子光学的量子特性在信息领域有着独特的功能，利用其压缩态、纠缠态、偏振等性质在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面有望突破现有经典信息系统的极限。量子通信在一定程度上已经实现了商业应用并具有广阔的市场应用前景，特别是在量子密码和量子计算方面有突破性进展。
【关键词】 量子光学 量子信息 量子密码 量子计算机
一、发展现状及趋势
近十几年来，量子通信的距离和速率都有了飞跃式的提升，一些小规模的量子通信试验网已经建成，验证了量子通信技术网络化的可行性。欧盟已提出欧洲量子通信未来发展目标，将重点发展量子中继和卫星量子通信，实现千公里量级的量子密钥分发；日本国立信息通信研究院计划到2040年建成极限容量、无条件安全的广域光纤与自由空间量子通信网络；美国洛斯阿拉莫斯国家实验室过去几年中则一直在悄悄创建一套辐射状的量子互联网。
我国尽管属于后来者，但起点高，进展快，在应用研究的多个方面已经达到世界先进水平，2012年初，潘建伟小组在合肥市建成世界上规模最大的46节点量子通信试验网，标志着大容量的量子通信网络技术已取得关键突破；与此同时，金融信息量子通信验证网在北京开通，在世界上首次实现利用量子通信网络对金融信息的安全传输。另外还牵头组织了中科院战略先导专项“量子科学实验卫星”，计划在2016年左右发射，在此基础上将实现高速星地量子通信并连接地面的城域量子通信网络，初步构建我国广域量子通信体系。在城域量子通信关键技术方面已达到产业化要求，产业化预备与欧美处于同等水平。
潘建伟认为，目前，我国量子保密通信技术在城域网上的使用基本成熟，已经可以推广；城际量子通信网络方面，连接北京和上海的千公里光纤量子通信骨干网工程“京沪干线”已正式立项，有望在两三年内投入使用。但要实现广域的量子保密通信，还需要借助卫星。
可以预想，随着量子通信技术的产业化和广域量子通信网络的实现，在不久的将来，作为保障未来信息社会通信安全的关键技术，量子保密通信将有望走向大规模应用，成为电子政务、电子商务、电子医疗、生物特征传输和智能传输系统等各种电子服务的驱动器，为当今信息化社会提供基础的安全服务和最可靠的安全保障。
二、量子信息应用的主要领域
在量子信息中，用一定量子体系的量子态对信息进行编码，即以量子态作为信息的载体，按照量子力学的叠加原理等规律对量子态进行传送或逻辑操作，从而达到量子信息处理的目的。量子信息是量子物理与信息技术相结合发展起来的新学科，主要包括量子通信和量子计算2个领域。量子通信主要研究量子密码、量子隐形传态、远距离量子通信的技术等；量子计算主要研究量子计算机和适合于量子计算机的量子算法。
2.1量子密码
保密通信不仅在军事、国防等领域发挥独特作用，而且对当今的社会发展也日渐重要。量子密码是量子信息领域最有可能获得实际应用的技术。传统的保密通信可以分为“加密”、“接收”、“解密”三个过程，发送者将发送内容通过某种加密规则（密钥）转化为密文，接收者在接到密文后采用与加密密钥匹配的解密密钥对密文进行解密，得到传输内容。 量子保密通信的过程也相同，只不过作为加密和解密的密钥不再是传统的密码，而是改用微观粒子携带的量子态信息。这一看似微小的变化，使密钥的安全性产生了彻底变化。
量子密码术以量子物理基本规律为依据，利用量子态的非局域纠缠性，使任何窃取信息的过程都不可能不留下痕迹，而量子不可克隆原理，又使非法者不可能采用任何技术通过克隆窃取信息，这就从根本上保证了量子通信的保密性和可靠性。目前采用量子光学原理，已成功在光纤中实现了30km的密钥传递，为量子密码术的发展展现了美好前景。中科院开展了利用光纠缠态进行量子保密通讯的实验研究，目前在量子通信技术的网络化研究方面，中国科大潘建伟小组于2008年建成光量子电话网，实现了“一次一密”加密方式的实时网络通话。
量子密码传送的实验分两类：一类是光子在通常用的光纤中传播；另一类是在自由空间中传播。自由空间中的量子密钥分配通常利用偏振态来编码，主要困难是大气环境、背景光等复杂因素的影响严重，因此通常只能在天气良好无月光的深夜开展实验。相比较于自由空间传输而言，光纤量子密钥分配更易实现和实用，当然由于光纤存在损耗，因此光纤量子密码的传输距离只能在几百公里的范围内；除了距离，更需要解决的问题是如何满足多用户需求。所以光纤量子密码实用化的关键性问题是发明新型的光学干涉环，解决相位编码光纤QKD系统的稳定性问题，另外是发明量子路由器，解决实现光纤量子通信网络的关键性困难。这两项现在百公里和小范围的光纤网络中得以应用量子密码，建设量子密码网络并非易事，还涉及网络工程和现代光通信等领域，需要物理学家和网络工程师、通信工程师、软件工作者的通力合作。
2.2量子计算机
目前的计算机运转都是基于经典物理规律，称之为经典计算机。近些年来，人们已经认识到经典计算机有着某些不可克服的局限性。比如，不可能产生真正的随机数序列，无法模拟一个常规的量子力学系统或者说在有限的时间内模拟一个常规的量子力学系统等；此外，从经典计算机发展来看，计算机的速度进一步提高，也意味着芯片更高的集成与微型化。当二氧化硅表面的电路线度小到电子大小的尺度时，电子在电路中的行为不再服从经典力学规律，取而代之的将是量子力学规律。这些都将制约着现代信息科学或者说经典信息科学的发展，量子力学的发展为信息科学的发展提供了可靠的物理基础。数年前，在几平方毫米的芯片上可以集成上百个微激光器，现在，在5”的衬底上可以集成108 个微激光器。这种高密度的管子集成，为光通信、光计算等高科技的进一步开拓和发展开辟了美好的前景。
我国现在为实现固体量子计算机，主要开展3个方面的工作：一是基于新材料的半导体量子芯片；二是基于微纳米光腔的量子仿真；三是基于表面等离子体金属纳米结构的量子输运。在量子计算机中，一串处于叠加态的量子比特，可以被纠缠在一起，完成大量信息的同时编码与平行运算，这样便使得运算速度获得突破性提高，完成经典计算机不可能完成的运算。然而，量子计算机在基于半导体的芯片可持续发展将不可避免的依赖新一代的基于量子力学的计算芯片的出现，但真正研发出有意义的量子芯片的实现任重而道远，甚至还具有很大的不确定性。
三、总结
我国的量子通信技术发展迅速，位居世界前列。在2009 年成功实现了世界上最远距离的量子隐形传态，这一距离是目前国际上自由空间纠缠光子分发的最远距离，也是目前国际上没有窃听漏洞的量子密钥分发的最大距离。中国科学家在自由空间量子通信方向上的一系列工作引起了国际学术界的广泛关注。下一步科学家们正在计划通过自由空间实现几百公里的量子通信，超越光纤传输的极限。量子通信比较传统通信技术具有明显优势：抗干扰能力强，不需要借助传统信道；量子密码几乎不可能被破译，保密性强；线路时延几乎为零，传输速度快。
目前量子通信技术已经引起很多国家政府和军方的高度关注。一方面量子通信保密性强，在军事上几乎难以被敌方破译，能够保证己方军事行动不被敌方所侦析。另一方面量子通信技术能够抵御未来量子计算机技术带来的威胁。众所周知，运用现有的高速计算机来破解复杂的加密算法可能需要几万年，在现实中是难以接受的。然而量子计算机却只需大约几分钟。如果量子计算机投入使用，就意味着任何传统的数学密码体制都不再安全。
参 考 文 献
[1]光纤量子密码网络，温浩 郭光灿 现代物理知识 2007年第4期
[2]量子信息技术 郭光灿 重庆邮电大学学报 2010年10月
[3] 量子通信技术的发展动态及应用 詹源源 科协论坛2011年第2期
[4]量子密码研究进展 马瑶瑶 福建电脑 2011年第7期
[5]量子光学与量子信息 彭堃墀 中国基础科学科学前沿 2000年 4月
[6]量子光学与量子信息领域中的中国 白雨虹 杨秀彬 严寒 光学精密工程 2007年5月
相关热词搜索： 量子 通信技术 光学 领域 信息
