采用遠距離自由空間傳輸技術實現(xiàn)量子遠程通信

日前，中國科學技術大學合肥微尺度物質(zhì)科學國家實驗室潘建偉院士、陸朝陽教授等完成的“多自由度量子隱形傳態(tài)”名列2015年度國際物理學領域的十項重大突破榜首。

而北京到上海的2000公里量子通信干線也在緊鑼密鼓的建設中。其實，潘建偉院士、陸朝陽教授完成的“多自由度量子隱形傳態(tài)”和北京到上海的2000公里量子通信干線都被歸入量子通信范疇，但其實是兩種不同的技術。

量子密鑰分配和量子隱形傳態(tài)

量子通信在定義上存在爭議，目前，量子密鑰分配和量子隱形傳態(tài)都被稱為量子通信。

量子密鑰分配可以建立安全的通信密碼，通過一次一密的加密方式可以實現(xiàn)點對點方式的安全經(jīng)典通信。

具體做法是用弱相干光源發(fā)射光子，因為弱相干光源弱到一定程度，光子是一個一個往外蹦的，以此代替單光子源。把一個信息編碼在一個光子上，一個光子有著不同的量子態(tài)，代表著0和1，把光子通過光纖發(fā)射過去，接收方接到密鑰后進行解碼。

本質(zhì)上說，量子密鑰分配其實依舊依托于光纖通信，而單光子具有不可分割性是量子密碼安全性的物理基礎。因而量子密鑰分配并非顛覆經(jīng)典通信，更像是給經(jīng)典通信增加了一把量子密碼鎖。

現(xiàn)有的量子密鑰分發(fā)技術可以實現(xiàn)實驗室狀態(tài)下200公里以上的量子通信，再輔以光開關等技術，還可以實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡。目前，開始產(chǎn)業(yè)化的就是量子密鑰分配，而不是量子隱形傳態(tài)，比如之前提到的北京到上海的2000公里量子通信干線，以及滬杭量子通信干線，陸家嘴量子通信金融網(wǎng)等。

量子態(tài)隱形傳輸是基于量子糾纏態(tài)的分發(fā)與量子聯(lián)合測量（量子糾纏是指兩個量子態(tài)具有相干性或處于關聯(lián)狀態(tài)，量子糾纏態(tài)分發(fā)是指制備糾纏粒子對，將不同的粒子對發(fā)往不同的地方），在經(jīng)典通信的輔助下實現(xiàn)量子態(tài)的空間轉(zhuǎn)移而又不移動量子態(tài)的物理載體。

今年2月，潘建偉院士、陸朝陽教授搭建了6光子的自旋-軌道角動量糾纏實驗平臺，實現(xiàn)了自旋和軌道角動量的同時傳輸，在量子隱形傳態(tài)方面取得重大突破。雖然在量子隱形傳態(tài)技術上中國走在美國的前列，但現(xiàn)在僅僅是技術突破，離產(chǎn)業(yè)化還非常遙遠。

（陸朝陽教授）

目前，國內(nèi)主攻量子通信技術的有潘建偉院士帶領的團隊和郭光燦院士帶領的團隊，兩個團隊在研究量子通信方面呈現(xiàn)你追我趕的架勢——潘建偉院士在實現(xiàn)實驗室狀態(tài)下200公里的量子密鑰分配；郭光燦院士實現(xiàn)了實驗室狀態(tài)下260公里的量子密鑰分配；在今年2月潘建偉院士、陸朝陽教授等完成的“多自由度量子隱形傳態(tài)”。

（潘建偉院士）

量子密鑰分配如何保障安全性？

由于量子隱形傳態(tài)技術還非常遙遠，接下來只介紹已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的量子密鑰分配。

因為光子具有不可分割性。在單光子發(fā)射的情況下，竊聽者不可能將光子切成兩半，拿走一半獲得密鑰，一半傳輸給接收方。因為光子不可能被準確的復制，所以竊聽者無法通過復制光子獲取信息——

因為光子無法準確的測量，所以竊聽者無法通過準確測量光子，制備出一個一模一樣的光子。

總而言之，竊聽者無法將一個光子變成一模一樣的兩個光子，或者無法將光子信息讀取出來后將光子再發(fā)出去。一個未知的量子態(tài)是唯一的，接收者如果接收到了了準確的光子，那么竊聽者就拿不到任何信息。

但弱相干光源發(fā)射出去的是單光子與多光子脈沖的概率混合，在所發(fā)出的非真空脈沖中，有些是單光子的，有些是多光子，比如2 光子、3 光子。..。..多光子脈沖即包含了多個全同偏振光子。而多光子脈沖不再擁有不可分割性，在這種情況下，竊聽者可將其分離，自己留下一個，將剩余光子送到遠程合法用戶，更要命的是竊聽者的行為不會被合法用戶察覺。

為了應對光子數(shù)分離攻擊，可以用誘騙信號量子密碼方案應對。用弱光替代單光子，有可能存在多個光子概率，有可能存在1個光子的概率。誘騙態(tài)方法是指發(fā)射2或3種不同強度的全同偏振光子，經(jīng)過信道衰減后，強度高的光子到達的概率高，強度低的光子達到的概率低，在正常狀態(tài)下，這個概率是成正比的。

如果竊聽者采取從多個全同偏振光子中拿走一個的方法獲取信息，那么光子的接收概率會和正常狀態(tài)下不一樣，這樣就可以監(jiān)測出是否被竊聽。

量子密鑰分配的遠程通信

目前，采用誘騙態(tài)方法的量子密鑰分配最遠實驗距離是260—300km。盡管隨著檢測技術的提高，該距離還會進一步提高。但由于成碼率隨著距離呈指數(shù)衰減，而單量子態(tài)信號又不能在中途放大，因而基于經(jīng)典相干態(tài)光源的誘騙態(tài)方法很難直接完成遠程量子通信任務。

遠程量子通信的實現(xiàn)將依賴于中繼站。目前，中繼分為量子中繼和可信中繼兩種。

量子中繼以量子糾纏分發(fā)技術先在各相鄰站點間建立共享糾纏對，以量子存儲技術將糾纏對儲存，采用遠距離自由空間傳輸技術實現(xiàn)量子糾纏轉(zhuǎn)換。

（郭光燦院士）

比如將量子糾纏對布置在各相鄰站點，糾纏轉(zhuǎn)換操作后便可實現(xiàn)次近鄰站點間的共享糾纏，理論上可以實現(xiàn)遠程量子通信。但量子中繼技術難度非常大，目前還做不到。

可信中繼類似與量子密鑰接力賽，是A把密鑰傳輸給B，B再把密鑰傳輸給C，中途密鑰要落地，B是知道密鑰的所有信息的，因此要求中繼必須可信，如果一個中繼站被竊聽者控制，那么就無法保障量子通信的安全性。

相比較而言，量子中繼在中途密鑰是不落地的，擁有更好的安全性，但目前的技術達不到這方面的技術要求，已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的是可信中繼。

結(jié)語

雖然量子密鑰分配相對于量子隱形傳態(tài)的科幻程度和技術難度都要低不少，但其更具產(chǎn)業(yè)化前景，技術更成熟的優(yōu)勢也是顯而易見的。相信在“十三五”期間，國家會推動量子通信產(chǎn)業(yè)化進程，在推動量子通信技術發(fā)展的同時，更好的保障國家信息安全。