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作者： 记者 唐琳综合报道 来源： 发布时间：2016-8-19 15:30:3
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作为现代物理学的两大基石，量子力学和相对论分别在微观领域和宏观大尺度领域取得了辉煌的成功。它们不仅革命性地改变了人们对自然界基本规律的认识，极大地改变了人类的生活方式和社会面貌，更对人类固有的经典世界观产生了根本性的颠覆。
其中，因为量子物理与信息技术相结合而开拓出的、与经典方式具有本质区别的新兴学科——量子信息，更成为了当下人们关注的焦点。
伴随着量子信息技术逐渐走向实用化，其衍生出的量子通信技术，更被誉为是继微电子信息之后，最有可能引发军事、经济、社会领域又一次重大革命的关键技术。
革命性的量子信息
量子，是构成物质的最基本单元，是能量的最基本携带者，不可分割。量子比特是一个二维的量子系统，它构成量子信息的基本单元，量子信息由量子比特的状态来表示。
与经典比特具有根本区别的是，量子比特不仅可以处于两个基本状态，还可以处于它们的任意迭加态，这就是量子迭加原理。
而当量子迭加原理应用到两个粒子时，量子理论预言这两个粒子可以处在一种奇怪的纠缠状态：不论这两个粒子分离多远，它们之间都存在一种神秘的关联，以致使当对其中一个粒子进行测量并发现它处于某种状态时，另一个粒子的状态会瞬时地改变到同样的状态。这种神秘的关联被称为“量子非定域性”。
随着光量子调控实验技术的逐渐成熟和对量子非定域性研究的不断深入，自上世纪80年代开始，人们发现，量子物理与信息技术相结合，可以开拓与经典方式具有本质区别的全新的信息处理和通信方式。于是，一门新兴的学科——量子信息科学就此诞生。
在量子力学中，量子信息是关于量子系统“状态”所带有的物理信息。它是通过量子系统的各种相干特性（如量子并行、量子纠缠和量子不可克隆等），进行计算、编码和信息传输的全新信息方式。
甫一问世，量子信息科学就迅速成为近年来物理学和信息科学领域最活跃的研究前沿之一。利用量子调控技术，能够用一种革命性的方式对信息进行编码、存储、传输和操纵，在增大信息传输容量、提高运算速度、确保信息安全等方面突破经典信息技术的瓶颈。
因此，量子信息科学拓宽和深化了量子理论在改变人类生活和社会面貌方面的应用，成为未来信息技术的战略性发展方向，很有可能会推动整个信息产业的技术革命。
量子信息主要包括量子通信和量子计算两个领域。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。
而要说到最先走向实用化的量子信息技术，非量子通信莫属。
绝对安全的量子通信
安全地进行信息传递是人类千百年来的梦想之一。但在今日这个信息技术飞速进步的时代，安全通信却几乎成为海市蜃楼。
由于经典信息容易被复制，因此保障通信安全的主要方法就是加密信息，使窃取者即使复制了加密后的密文也无法读取原文。
但是这种方法的安全性在理论上缺乏证明——数学的不断进步可能使得一些现在看起来无法利用数学方法破解的加密解密算法在未来得以破解，因此这种方法远不能保证建造“绝对安全”的通信系统，而且在实际应用中也存在着加密和解密效率低下等诸多问题。
更为严峻的是，随着计算科学和技术的发展，人类所拥有的计算能力的提升速度和潜力已远远超过了人们最初的想象，经典密码加密技术对于通信安全的保障能力也显得远非人们预先估计的那么可靠了。尤其是上世纪70年代以来，量子计算概念的提出和它的初步实验演示，更如同在经典密码安全性上方高悬的“达摩克利斯之剑”，随时威胁着经典通信系统的安全。
但如今，人们的这些顾虑可能会伴随着量子通信技术的应用和普及而被永远“埋葬”。
广义地说，量子通信是指利用量子比特作为信息载体来传输信息的通信技术。量子通信内涵很广泛，量子隐形传态、量子保密通信、量子密集编码等都属于量子通信领域。
但由于量子保密通信是目前最接近实用化的量子信息技术，也是人类目前掌握的唯一的无条件安全密码技术，因此，我们日常提到量子通信时常常特指量子保密通信。
在量子通信过程中，发送方和接收方采用单光子的状态作为信息载体来建立密钥。通常来说，窃听者可能用三种方法进行窃听：
第一种方法是将单光子分割成两部分，让其中一部分继续传送，而对另一部分进行状态测量获取密钥信息。但由于单光子不可分割，因此这是不可能的。
第二种可能的方法是窃听者希望截取单光子后，测量其状态，然后根据测量结果发送一个新光子给接收方。但由于窃听者不能精确地对光子的状态进行测量，所以发送给接收方的光子的状态与其原始状态会存在偏差。这样，发送方和接收方可以利用这个偏差来探测到窃听者对光子的测量扰动，从而检验他们之间所建立的密钥的安全性。
第三种可能的方法是窃听者截取单光子后，通过复制单光子的状态来窃取信息。但按照量子不可克隆原理，未知的量子态不可能被精确复制。
因此，无论是现在还是将来，无论破译者掌握了多么先进的窃听技术、多强大的破译能力，只要量子力学规律成立，由量子通信建立起的秘密就无法被破解。
可以说，量子通信系统的问世，重新点燃了建造“绝对安全”通信系统的希望。通向“绝对安全通信”这个千百年来人类梦想大道的入口，在量子物理的指引下，又重新显露在人们视野之中。
得益于这种“绝对安全”，通过量子通信，人们可以从根本上解决国防、金融、政务、商业等领域的信息安全问题。因此，量子通信被视为是保障未来信息社会通信安全的重要技术基础。
更进一步来讲，量子通信还能实质性地提升国家的信息技术水平和信息产业的核心竞争力，实现国家信息系统建设的跨越式发展，对国家综合国力的提升、经济和社会的进步产生深远的影响。
正因于此，其也成为世界主要发达国家优先发展的科技和产业高地。
大国竞赛新高地
1984年，美国IBM公司的Bennett和加拿大蒙特利尔大学的Brassard共同提出了第一个量子密码通信方案，即著名的BB84方案，这标志着量子通信领域的诞生。
1992年，Bennett提出了简化的BB84方案（称为B92方案），并与Bessette合作，第一次在实验上原理性演示了量子密钥分发。此后，量子密码分配开始得到各方的重视。
2006年，立博体育在线:科学技术大学潘建伟团队在世界上首次利用诱骗态方案实现了安全距离超过100公里的光纤量子密钥分发实验；同时，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室—美国国家标准局联合实验组和维也纳大学物理学家Anton 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公里的量子密钥分发。
可以说，这3个实验真正打开了量子通信技术应用的大门，量子通信得以从实验室演示开始走向实用化和产业化。
如今，量子通信的实用化和产业化已经成为包括欧盟、美国、日本和立博体育在线:在内的各个大国争相追逐的目标。
欧洲方面，欧盟于2008年发布《量子信息处理与通信战略报告》；随后，欧盟启动量子通信技术标准化研究，并成立“基于量子密码的安全通信”工程。
美国同样不甘落后。美国国防部支持的“高级研究与发展活动”计划将量子通信应用拓展到卫星通信、城域以及长距离光纤网络；美国国家航空航天局也正计划在其总部与喷气推进实验室之间建立一个直线距离600公里、光纤皮长1千公里左右的包含10个骨干节点的远距离光纤量子通信干线，并计划拓展到星地量子通信。
日本也提出了自己的量子信息技术长期研究战略。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。
我国政府也高度重视量子通信技术的发展，并积极应对激烈的国际竞争。
近年来，在立博体育在线:科学院、科技部、国家自然科学立博体育：等部门以及有关国防部门的大力支持下，我国科学家在发展可实用量子通信技术方面开展了系统性的深入研究，在产业化预备方面一直处于国际领先水平。
2009年，潘建伟团队在世界上率先将采用诱骗态方案的量子通信距离突破至200公里；同年，立博体育在线:科大郭光灿团队在芜湖市建设了国际上首个量子政务网。
2012年，潘建伟团队在合肥市建成了世界上首个覆盖整个合肥城区的规模化（46个节点）量子通信网络。
2013年，潘建伟团队成功开发了国际上迄今为止最先进的室温通信波段单光子探测器，并利用该单光子探测器在国际上首次实现了测量器件无关的量子通信，成功解决了现实环境中单光子探测系统易被黑客攻击的安全隐患，大大提高了现实量子通信系统的安全性。
经过30多年的发展，量子通信技术已经从实验室演示走向产业化和实用化，目前正在朝着高速率、远距离、网络化的方向快速发展。
2016年，立博体育在线:科学院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”将于下半年发射。一旦发射成功，我国将在国际上率先实现高速的星地量子通信网络，初步构建我国的广域量子通信体系，同时可实现空间尺度量子力学非定域性检验，探索对广义相对论、量子引力等基本理论的实验检验。
未来，随着量子通信技术的产业化和广域量子通信网络的实现，作为保障未来信息社会通信安全的关键技术，量子密码极有可能会进入千家万户，服务于大众，为当今这个高度信息化的社会提供基础的安全服务和最可靠的安全保障。■
《科学新闻》 (科学新闻2016年5月刊 纵览)
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