量子通信

量子通信从理论上的定义而言，并没有一个非常严格的标准。在物理学中可以将其看作是一个物理极限，通过量子效应就能实现高性能的通信。而在信息学中，量子通信是通过量子力学原理中特有的属性，来完成相应的信息传递工作。量子通信同传统的通信方式相比较，有一些比较突出的特点，例如安全性比较高，还有就是传输的过程中不容易受到阻碍。当量子态在不被破坏的情况下，在传输信息的过程中是不会被窃听，也不会被复制的，所以严格意义上来看，它是绝对安全的。

量子通信具有很多特点，其中与传统的通信方式相较，量子通信最大的优势就是绝对安全和高效率性，首先传统通信方式在安全性方面就有很多缺陷，量子通信会将信息进行加密传输，在这个过程中密钥不是一定的，充满随机性，即使被相关人员截获，也不容易获取真实信息，另外量子通信还有较强的抗干扰能力、很好的隐蔽性能、较低的噪音比需要以及广泛应用的可能性。

根据应用途径，量子通信可分为：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。按其所传输的信息内容分为是经典通信和量子通信而分为两类。前者主要传输量子密钥，后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。

光量子通信主要基于量子纠缠态的理论，使用量子隐形传态（传输）的方式实现信息传递。光量子通信的过程如下：事先构建一对具有纠缠态的粒子，将两个粒子分别放在通信双方，将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量（一种操作），则接收方的粒子瞬间发生坍塌（变化），坍塌（变化）为某种状态，这个状态与发送方的粒子坍塌（变化）后的状态是对称的，然后将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方，接收方根据接收到的信息对坍塌的粒子进行幺正变换（相当于逆转变换），即可得到与发送方完全相同的未知量子态。

经典通信较光量子通信相比，其安全性和高效性都无法与之相提并论。安全性-量子通信绝不会“泄密”，其一体现在量子加密的密钥是随机的，即使被窃取者截获，也无法得到正确的密钥，因此无法破解信息；其二，分别在通信双方手中具有纠缠态的2个粒子，其中一个粒子的量子态发生变化，另外一方的量子态就会随之立刻变化，并且根据量子理论，宏观的任何观察和干扰，都会立刻改变量子态，引起其坍塌，因此窃取者由于干扰而得到的信息已经破坏，并非原有信息。高效性，被传输的未知量子态在被测量之前会处于纠缠态，即同时代表多个状态，例如一个量子态可以同时表示0和1两个数字， 7个这样的量子态就可以同时表示128个状态或128个数字：0~127。光量子通信的这样一次传输，就相当于经典通信方式速率的128倍。可以想象如果传输带宽是64位或者更高，那么效率之差将是惊人的。

一是为了进行远距离的量子态隐形传输，必须要让通信的两地同时具有最大量子纠缠态。但是，由于环境噪声的影响，量子纠缠态的品质会随着传送距离的增大而变得越来越差。因此，如何提纯高品质的量子纠缠态是量子通信研究中的重要课题。

二是如何实现量子信号的中继转发，取得令人满意的远距离通信效果。到为止，业界在光源、信道节点和接收机等方面还没有取得圆满成功，所需的安全性要求没有保障，可能被窃听。如何对实际量子密钥分发系统进行攻防测试和安全性升级是运行维护面临的难题。

三是因为中继节点的密钥存储和转发存在漏洞，可能成为整个系统的安全风险点。如何解决纠缠态对信道长度抖动过于敏感、误码率随信道长度增长过快等严重问题，也是一个令人头疼的问题。

量子通信技术发展成熟后，将广泛地应用于军事保密通信及政府机关、军工企业、金融、科研院所和其他需要高保密通信的场合。量子通信未来有以下几个发展方向：

(1)采用量子中继技术，扩大通信距离。

这方面以中国的“京沪干线”项目为代表。由于单光子在传输过程中损耗很大，对于远距离传输，必须采用中继技术。然而量子态的非克隆原理给量子中继出了很大难题，因为量子态不可复制，所以量子中继不能像普通的信号中继一样，把弱信号接收放大后再转发出去。量子中继只能是在光子到达最远传输距离之前接收其信号，先存储起来，再读出这个信号，最后以单光子形式发送出去。量子中继很像火炬接力，一个火炬在燃料耗尽之前点燃另一个火炬，这样持续传送下去，不能一次同时点燃多个火炬。量子中继有很多方案，包括光量子方案、固态原子方案等。

(2)采用星地通信方式，实现远程传输。

采用卫星通信后，两地之间的量子通信更加方便快捷。在真空环境中，光子基本无损耗，损耗主要发生在距地面较低的大气中。据测算，只要在地面大气中能通信十几千米，星地之间通信就没有问题。中国学者曾经在北京与怀柔之间成功地进行夜晚十几千米的单光子传输实验，为星地量子通信奠定了坚实的实验基础。

(3)建立量子通信网络，实现多地相互通信。

量子通信要想实用化，必须覆盖多地形成网络。2009年，郭光灿小组在安徽芜湖建立了世界首个量子政务网，标志着中国量子保密通信正式进入应用阶段。，国内外都建成了多个实用的量子通信网络，下一步的发展是扩大节点数，扩展通信距离，形成大覆盖面积的广域网。

量子通信具有传统通信方式所不具备的绝对安全特性，在国家安全、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景，也逐渐走进人们的日常生活。

为了让量子通信从理论走到现实,从上世纪90年代开始,国内外科学家做了大量的研究工作。自1993年美国IBM的研究人员提出量子通信理论以来，美国国家科学基金会和国防高级研究计划局都对此项目进行了深入的研究，欧盟在1999年集中国际力量致力于量子通信的研究，研究项目多达12个，日本邮政省把量子通信作为21世纪的战略项目。我国从上世纪80年代开始从事量子光学领域的研究，近几年来，中国科学技术大学的量子研究小组在量子通信方面取得了突出的成绩。

2003年,韩国、中国、加拿大等国学者提出了诱骗态量子密码理论方案,彻底解决了真实系统和现有技术条件下量子通信的安全速率随距离增加而严重下降的问题。

2006年夏,我国中国科学技术大学潘建伟小组、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、欧洲慕尼黑大学—维也纳大学联合研究小组各自独立实现了诱骗态方案，同时实现了超过100公里的诱骗态量子密钥分发实验，由此打开了量子通信走向应用的大门。

2008年底，潘建伟的科研团队成功研制了基于诱骗态的光纤量子通信原型系统，在合肥成功组建了世界上首个3节点链状光量子电话网，成为国际上报道的绝对安全的实用化量子通信网络实验研究的两个团队之一（另一小组为欧洲联合实验团队）。

2009年9月，潘建伟的科研团队正是在3节点链状光量子电话网的基础上，建成了世界上首个全通型量子通信网络，首次实现了实时语音量子保密通信。这一成果在同类产品中位居国际先进水平，标志着中国在城域量子网络关键技术方面已经达到了产业化要求。

全通型量子通信网络是一个5节点的星型量子通信网络，克服了量子信号在商用光纤上传输的不稳定性是量子保密通信技术实用化的主要技术障碍，首次实现了两两用户间同时进行通信，互不影响。该网络用户间的距离可达20公里，可以覆盖一个中型城市；容纳了互联互通和可信中继两种重要的量子通信组网方式，并实现了上级用户对下级用户的通信授权管理。

该成果首次全面展示和检验了量子通信系统组网和扩展的能力，标志着大规模可扩展网络量子通信技术的成熟，将量子通信实用化和产业化进程又向前推进了一大步。据称，潘建伟团队将与中国电子科技集团公司第38研究所等机构合作，在合肥市及周边地区启动建设一个40节点量子通信网络示范工程，为量子通信的大规模应用积累工程经验。

量子通信国内发展历程

2005年，中国科技大学合肥微尺度物质科学国家实验室潘建伟教授和他的同事杨涛、彭承志等通过“自由空间纠缠光子的分发”实验，在国际上首次证明了纠缠光子在穿透等效于整个大气层厚度的地面大气后，纠缠的特性仍然能够保持，并可应用于高效、安全的量子通信。4月22日出版的国际物理学权威期刊《物理评论快报》发表了他们题为《13公里自由空间纠缠光子分发：朝向基于人造卫星的全球化量子通信》的研究论文。《物理评论快报》的审稿人称，这一成果“有重大的意义”、“是一项相当了不起的成就”。

2006年，中国科技大学合肥微尺度物质科学国家实验室在光纤通信中实现了一种抗干扰的量子密码分配方案，保证了长距离光纤量子通信的安全和质量。这一成果日前发表在刚刚出版的国际物理学权威期刊《物理评论快报》上。“非常出色的”、“具有特殊的价值”，是该杂志审稿人对这一成果的评价。

2008年，在“量子调控研究”重大科学研究计划等的支持下，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室（筹）潘建伟教授领导的研究小组完成了“量子中继器的实验实现”，研究成果于8月28日发表在《自然》上。他们利用冷原子量子存储技术在国际上首次实现了具有存储和读出功能的纠缠交换，建立了由300米光纤连接的两个冷原子系综之间的量子纠缠。这种冷原子系综之间的量子纠缠可以被读出并转化为光子纠缠以进行进一步的传输和量子操作。该实验成果实现了长程量子通信中亟须的“量子中继器”，向未来广域量子通信网络的最终实现迈出了坚实的一步。 由于该项研究工作的重要意义，《自然》杂志专门发布了题为“量子推动 (Quantum Boost)”的新闻稿，称赞该工作“扫除了量子通信中的一大绊脚石”。

2012年，潘建伟等人在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，为发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定技术基础。国际权威学术期刊《自然》杂志8月9日重点介绍了该成果。“在高损耗的地面成功传输100公里，意味着在低损耗的太空传输距离将可以达到1000公里以上，基本上解决量子通讯卫星的远距离信息传输问题。”研究组成员彭承志介绍说，量子通讯卫星核心技术的突破，也表明未来构建全球量子通信网络具备技术可行性。8月9日，国际权威学术期刊《自然》杂志重点介绍了这一成果，代表其获得了国际学术界的普遍认可。《自然》杂志称其“有望成为远距离量子通信的里程碑”、“通向全球化量子网络”，欧洲物理学会网站、美国《科学新闻》杂志等也进行了专题报道。

2015年3月6日，国际权威物理学期刊《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 114, 090501 (2015)] 发表中国科学技术大学多方量子通信方案，该方案在实用化、远距离多方量子通信方面迈出了重要的一步。多方量子通信旨在为多用户保密通信提供基于量子力学原理的安全性。此前最远的三光子纠缠态实验分发距离仅为1公里[Nat. Photonics 8, 292 (2014)]，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室量子物理与信息研究部研究组结合诱骗态和测量设备无关的量子密钥分发技术，提出了一个可以在百公里量级分发后选择多光子纠缠态并进行多方量子通信的实用化方案。

2018年9月，在国家重点研发计划量子调控与量子信息重点专项项目“固态量子存储器”的支持下，中国科学技术大学李传锋团队在自主研制的高品质三维纠缠源的基础上，进一步制备出偏振-路径复合的四维纠缠源，保真度达到98%。利用这种四维纠缠源首次成功识别了五类贝尔态，并实验演示了量子密集编码，一举把量子密集编码的信道容量纪录提升到了2.09，超过了两维纠缠能达到的理论极限，创造了当前国际最高水平。这项工作充分展示了高维纠缠在量子通信中的优势，为高维纠缠在量子信息领域的深入研究打下重要基础。该成果于7月20日发表在国际权威期刊《科学·进展》上。

2021年1月7日，中国科学技术大学宣布中国科研团队成功实现了跨越4600公里的星地量子密钥分发，标志着我国已构建出天地一体化广域量子通信网雏形。

量子通信国际发展历程

1984~1992年，第一个量子密码通信方案提出，即著名的BB84方案。 简化的 BB84方案提出。并第一次在实验上原理性演示了量子密钥分发 。

1993~2005年，量子密钥分发演示性实验实现100公里以上通信距离，但安全通信距离只有10公 里量级，不具 有实用价值 。

2006~2010年，美国 Los Alamos国家实验室 一美国国家标准局联合实验组和奥地利的 Zeilinger教授领导的欧 洲联合实验室也使用诱骗态方案实现了安全距离超过100公里量子密钥分发，量子通信得以从实验室演示开始走向实 用化 。

2013年，美国独立研究机构Battelle公布了环美量子通信骨干网络项目。计划采用分段量子密钥分发，结合安全授信节点进行密码中继的方式为谷歌、微软、 亚马逊等互联网巨头的数据中心之间的通信提供量子安全保障服务。

量子通信欧洲

2008年发布了《量子信息处理与通信战略报告》，提出了欧洲量子通信的分阶段发展目标，包括实现地面量子通信网络、星地量子通信、空地一体的千公里级量子通信网络等。

2008年9月，欧盟发布了关于量子密码的商业白 皮书。启动量子通信技术标准化研究，并联合了来自12个欧盟国41个伙伴小组成立了 “ 基于量子 密码的安全通信” (SECOQC)工程，这是继欧洲核子中心和国际空间站后有一大规模的国际科技 合作项目。同年，该工程在维也纳现场演示了一个基于商业网络的包含 6个节点的量子通信网络。欧空局正在与来自欧洲、美洲、澳大利亚和日本的多国科学家团队合作开展空间量子实验，由国际著 名量子物理家、沃尔夫物理学奖获得者奥地利的Anton Zeilinger教授领衔，计划在国际空间站与地面站之间实现远距离量子通信。

量子通信日本

提出量子信息技术长期研究战略，目标年投入2亿 美元，规划在5~10年内建成全国性的高速量子通 信网。日本的国家情报通信研究机构 (NICT)也启动了一个长期支持计划。

日本国立信息通信研究院计划在 2020年实现量 子中继，到 2040年建威极限容量、无条件安全 的广域光纤与自由空间量子通信网络。2010年。日本 NICT主导，联合当时欧洲和日本在量子通 信技术上开发水平最高的公司和研究机构，在东 京建成了6节点城域量子通信网络 “ Tokyo QKD Netword”。东京网在全网演示了视频通话。并演示网络监控。

量子通信美国

美国国防部支持的“ 高级研究与发展活动”(ARDA)计划到 2014年将量子通信应用拓展到卫星通信、城域以及远距离光纤网络。国防部高级计划署 (DARPA)和 Los Alamos国家实验室于 2009年分别建成了2个多节点量子通信互联网络，并与空军合作进行了基于飞机平台的自由空间量子通信研究。

美国航空航天局 (NASA)正计划在其总部与喷 气推进实验室 (JPL)之间建立一个直线距离 60 公里、光纤皮长1 000公里左右的包含10个骨干节点的远距离光纤通信干线，计划拓展到星地通信量子。

量子通信实用化发展历程

2010年7月，合肥城域量子通信试验示范网正式开工实施。合肥市政府将其作为重大标志性科技工程列为全市自主创新重大专项，省发改委及省科技厅、合肥市共支持经费6000多万元，努力建成国内“首个开工、首个建成、首个使用”的规模化城域量子通信网络，为合肥市进一步提升战略性新兴产业核心竞争力，抢占未来量子通信产业发展制高点发挥重要作用。

2012年 2月21日，金融信息量子通信验证网在北京开通。金融信息量子通信验证网的开通，是量子通信网络技术保障金融信息传输安全的第一次技术验证和典型应用示范，对加快建设国家级金融信息量子通信网、大力提升我国金融信息传递的安全性和便捷性，具有十分重要的意义。

2013年11月，济南量子保密通信试验网建成投入使用，山东省50个省直机关事业单位、金融机构实现了语音电话、传真、文本通信和文件传输等量子保密传输业务，这是我国第一套实用化的大型量子通信城域网，也是世界上规模最大、功能最全的量子保密通信试验网络。 济南量子通信试验网的建成，标志着量子通信技术在山东省开始步入实用化阶段，有利于促进量子通信产业链的形成，为量子通信技术在山东省产业化奠定了基础。

发射时间

2016年03月04日，全国政协委员，中科院院士潘建伟介绍，中国研制的世界首颗量子通信卫星也将在2016年七月发射，从而形成一个天地一体化的量子通信网络。 这是世界首个量子通信卫星。

量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子通讯是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信主要涉及:量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，近来这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们的关注。基于量子力学的基本原理，并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。

2016年8月16日1时40分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。这将使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。 2100433B