作為現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石，量子力學(xué)和相對論分別在微觀領(lǐng)域和宏觀大尺度領(lǐng)域取得了輝煌的成功。它們不僅革命性地改變了人們對自然界基本規(guī)律的認(rèn)識，極大地改變了人類的生活方式和社會面貌，更對人類固有的經(jīng)典世界觀產(chǎn)生了根本性的顛覆。
其中，因?yàn)榱孔游锢砼c信息技術(shù)相結(jié)合而開拓出的、與經(jīng)典方式具有本質(zhì)區(qū)別的新興學(xué)科——量子信息，更成為了當(dāng)下人們關(guān)注的焦點(diǎn)。
伴隨著量子信息技術(shù)逐漸走向?qū)嵱没溲苌龅牧孔油ㄐ偶夹g(shù)，更被譽(yù)為是繼微電子信息之后，最有可能引發(fā)軍事、經(jīng)濟(jì)、社會領(lǐng)域又一次重大革命的關(guān)鍵技術(shù)。
革命性的量子信息
量子，是構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可分割。量子比特是一個二維的量子系統(tǒng)，它構(gòu)成量子信息的基本單元，量子信息由量子比特的狀態(tài)來表示。
與經(jīng)典比特具有根本區(qū)別的是，量子比特不僅可以處于兩個基本狀態(tài)，還可以處于它們的任意迭加態(tài)，這就是量子迭加原理。
而當(dāng)量子迭加原理應(yīng)用到兩個粒子時，量子理論預(yù)言這兩個粒子可以處在一種奇怪的糾纏狀態(tài)：不論這兩個粒子分離多遠(yuǎn)，它們之間都存在一種神秘的關(guān)聯(lián)，以致使當(dāng)對其中一個粒子進(jìn)行測量并發(fā)現(xiàn)它處于某種狀態(tài)時，另一個粒子的狀態(tài)會瞬時地改變到同樣的狀態(tài)。這種神秘的關(guān)聯(lián)被稱為“量子非定域性”。
隨著光量子調(diào)控實(shí)驗(yàn)技術(shù)的逐漸成熟和對量子非定域性研究的不斷深入，自上世紀(jì)80年代開始，人們發(fā)現(xiàn)，量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合，可以開拓與經(jīng)典方式具有本質(zhì)區(qū)別的全新的信息處理和通信方式。于是，一門新興的學(xué)科——量子信息科學(xué)就此誕生。
在量子力學(xué)中，量子信息是關(guān)于量子系統(tǒng)“狀態(tài)”所帶有的物理信息。它是通過量子系統(tǒng)的各種相干特性（如量子并行、量子糾纏和量子不可克隆等），進(jìn)行計(jì)算、編碼和信息傳輸?shù)娜滦畔⒎绞健?/font>
甫一問世，量子信息科學(xué)就迅速成為近年來物理學(xué)和信息科學(xué)領(lǐng)域最活躍的研究前沿之一。利用量子調(diào)控技術(shù)，能夠用一種革命性的方式對信息進(jìn)行編碼、存儲、傳輸和操縱，在增大信息傳輸容量、提高運(yùn)算速度、確保信息安全等方面突破經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸。
因此，量子信息科學(xué)拓寬和深化了量子理論在改變?nèi)祟惿詈蜕鐣婷卜矫娴膽?yīng)用，成為未來信息技術(shù)的戰(zhàn)略性發(fā)展方向，很有可能會推動整個信息產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革命。
量子信息主要包括量子通信和量子計(jì)算兩個領(lǐng)域。量子通信主要研究量子密碼、量子隱形傳態(tài)、遠(yuǎn)距離量子通信的技術(shù)等等；量子計(jì)算主要研究量子計(jì)算機(jī)和適合于量子計(jì)算機(jī)的量子算法。
而要說到最先走向?qū)嵱没牧孔有畔⒓夹g(shù)，非量子通信莫屬。
絕對安全的量子通信
安全地進(jìn)行信息傳遞是人類千百年來的夢想之一。但在今日這個信息技術(shù)飛速進(jìn)步的時代，安全通信卻幾乎成為海市蜃樓。
由于經(jīng)典信息容易被復(fù)制，因此保障通信安全的主要方法就是加密信息，使竊取者即使復(fù)制了加密后的密文也無法讀取原文。
但是這種方法的安全性在理論上缺乏證明——數(shù)學(xué)的不斷進(jìn)步可能使得一些現(xiàn)在看起來無法利用數(shù)學(xué)方法破解的加密解密算法在未來得以破解，因此這種方法遠(yuǎn)不能保證建造“絕對安全”的通信系統(tǒng)，而且在實(shí)際應(yīng)用中也存在著加密和解密效率低下等諸多問題。
更為嚴(yán)峻的是，隨著計(jì)算科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，人類所擁有的計(jì)算能力的提升速度和潛力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人們最初的想象，經(jīng)典密碼加密技術(shù)對于通信安全的保障能力也顯得遠(yuǎn)非人們預(yù)先估計(jì)的那么可靠了。尤其是上世紀(jì)70年代以來，量子計(jì)算概念的提出和它的初步實(shí)驗(yàn)演示，更如同在經(jīng)典密碼安全性上方高懸的“達(dá)摩克利斯之劍”，隨時威脅著經(jīng)典通信系統(tǒng)的安全。
但如今，人們的這些顧慮可能會伴隨著量子通信技術(shù)的應(yīng)用和普及而被永遠(yuǎn)“埋葬”。
廣義地說，量子通信是指利用量子比特作為信息載體來傳輸信息的通信技術(shù)。量子通信內(nèi)涵很廣泛，量子隱形傳態(tài)、量子保密通信、量子密集編碼等都屬于量子通信領(lǐng)域。
但由于量子保密通信是目前最接近實(shí)用化的量子信息技術(shù)，也是人類目前掌握的唯一的無條件安全密碼技術(shù)，因此，我們?nèi)粘Ｌ岬搅孔油ㄐ艜r常常特指量子保密通信。
在量子通信過程中，發(fā)送方和接收方采用單光子的狀態(tài)作為信息載體來建立密鑰。通常來說，竊聽者可能用三種方法進(jìn)行竊聽：
第一種方法是將單光子分割成兩部分，讓其中一部分繼續(xù)傳送，而對另一部分進(jìn)行狀態(tài)測量獲取密鑰信息。但由于單光子不可分割，因此這是不可能的。
第二種可能的方法是竊聽者希望截取單光子后，測量其狀態(tài)，然后根據(jù)測量結(jié)果發(fā)送一個新光子給接收方。但由于竊聽者不能精確地對光子的狀態(tài)進(jìn)行測量，所以發(fā)送給接收方的光子的狀態(tài)與其原始狀態(tài)會存在偏差。這樣，發(fā)送方和接收方可以利用這個偏差來探測到竊聽者對光子的測量擾動，從而檢驗(yàn)他們之間所建立的密鑰的安全性。
第三種可能的方法是竊聽者截取單光子后，通過復(fù)制單光子的狀態(tài)來竊取信息。但按照量子不可克隆原理，未知的量子態(tài)不可能被精確復(fù)制。
因此，無論是現(xiàn)在還是將來，無論破譯者掌握了多么先進(jìn)的竊聽技術(shù)、多強(qiáng)大的破譯能力，只要量子力學(xué)規(guī)律成立，由量子通信建立起的秘密就無法被破解。
可以說，量子通信系統(tǒng)的問世，重新點(diǎn)燃了建造“絕對安全”通信系統(tǒng)的希望。通向“絕對安全通信”這個千百年來人類夢想大道的入口，在量子物理的指引下，又重新顯露在人們視野之中。
得益于這種“絕對安全”，通過量子通信，人們可以從根本上解決國防、金融、政務(wù)、商業(yè)等領(lǐng)域的信息安全問題。因此，量子通信被視為是保障未來信息社會通信安全的重要技術(shù)基礎(chǔ)。
更進(jìn)一步來講，量子通信還能實(shí)質(zhì)性地提升國家的信息技術(shù)水平和信息產(chǎn)業(yè)的核心競爭力，實(shí)現(xiàn)國家信息系統(tǒng)建設(shè)的跨越式發(fā)展，對國家綜合國力的提升、經(jīng)濟(jì)和社會的進(jìn)步產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
正因于此，其也成為世界主要發(fā)達(dá)國家優(yōu)先發(fā)展的科技和產(chǎn)業(yè)高地。
大國競賽新高地
1984年，美國IBM公司的Bennett和加拿大蒙特利爾大學(xué)的Brassard共同提出了第一個量子密碼通信方案，即著名的BB84方案，這標(biāo)志著量子通信領(lǐng)域的誕生。
1992年，Bennett提出了簡化的BB84方案（稱為B92方案），并與Bessette合作，第一次在實(shí)驗(yàn)上原理性演示了量子密鑰分發(fā)。此后，量子密碼分配開始得到各方的重視。
2006年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)在世界上首次利用誘騙態(tài)方案實(shí)現(xiàn)了安全距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)；同時，美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室—美國國家標(biāo)準(zhǔn)局聯(lián)合實(shí)驗(yàn)組和維也納大學(xué)物理學(xué)家Anton Zeilinger教授領(lǐng)導(dǎo)的歐洲聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室也使用誘騙態(tài)方案實(shí)現(xiàn)了安全距離超過100公里的量子密鑰分發(fā)。
可以說，這3個實(shí)驗(yàn)真正打開了量子通信技術(shù)應(yīng)用的大門，量子通信得以從實(shí)驗(yàn)室演示開始走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化。
如今，量子通信的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)成為包括歐盟、美國、日本和中國在內(nèi)的各個大國爭相追逐的目標(biāo)。
歐洲方面，歐盟于2008年發(fā)布《量子信息處理與通信戰(zhàn)略報(bào)告》；隨后，歐盟啟動量子通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究，并成立“基于量子密碼的安全通信”工程。
美國同樣不甘落后。美國國防部支持的“高級研究與發(fā)展活動”計(jì)劃將量子通信應(yīng)用拓展到衛(wèi)星通信、城域以及長距離光纖網(wǎng)絡(luò)；美國國家航空航天局也正計(jì)劃在其總部與噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室之間建立一個直線距離600公里、光纖皮長1千公里左右的包含10個骨干節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離光纖量子通信干線，并計(jì)劃拓展到星地量子通信。
日本也提出了自己的量子信息技術(shù)長期研究戰(zhàn)略。日本國立信息通信研究院計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)量子中繼，到2040 年建成極限容量、無條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網(wǎng)絡(luò)。
我國政府也高度重視量子通信技術(shù)的發(fā)展，并積極應(yīng)對激烈的國際競爭。
近年來，在中國科學(xué)院、科技部、國家自然科學(xué)基金委等部門以及有關(guān)國防部門的大力支持下，我國科學(xué)家在發(fā)展可實(shí)用量子通信技術(shù)方面開展了系統(tǒng)性的深入研究，在產(chǎn)業(yè)化預(yù)備方面一直處于國際領(lǐng)先水平。
2009年，潘建偉團(tuán)隊(duì)在世界上率先將采用誘騙態(tài)方案的量子通信距離突破至200公里；同年，中國科大郭光燦團(tuán)隊(duì)在蕪湖市建設(shè)了國際上首個量子政務(wù)網(wǎng)。
2012年，潘建偉團(tuán)隊(duì)在合肥市建成了世界上首個覆蓋整個合肥城區(qū)的規(guī)模化（46個節(jié)點(diǎn)）量子通信網(wǎng)絡(luò)。
2013年，潘建偉團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了國際上迄今為止最先進(jìn)的室溫通信波段單光子探測器，并利用該單光子探測器在國際上首次實(shí)現(xiàn)了測量器件無關(guān)的量子通信，成功解決了現(xiàn)實(shí)環(huán)境中單光子探測系統(tǒng)易被黑客攻擊的安全隱患，大大提高了現(xiàn)實(shí)量子通信系統(tǒng)的安全性。
經(jīng)過30多年的發(fā)展，量子通信技術(shù)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室演示走向產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用化，目前正在朝著高速率、遠(yuǎn)距離、網(wǎng)絡(luò)化的方向快速發(fā)展。
2016年，中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”將于下半年發(fā)射。一旦發(fā)射成功，我國將在國際上率先實(shí)現(xiàn)高速的星地量子通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建我國的廣域量子通信體系，同時可實(shí)現(xiàn)空間尺度量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)，探索對廣義相對論、量子引力等基本理論的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。
未來，隨著量子通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，作為保障未來信息社會通信安全的關(guān)鍵技術(shù)，量子密碼極有可能會進(jìn)入千家萬戶，服務(wù)于大眾，為當(dāng)今這個高度信息化的社會提供基礎(chǔ)的安全服務(wù)和最可靠的安全保障。■