量子通信的奥秘

量子通信的奥秘从普朗克的能量子假说、到爱因斯坦的光量子理论到玻尔的原子理论，在百年的时间里，量子力学发展迅速。尤其是20世纪二、三十年代，爱因斯坦和玻尔之间的“物理学灵魂的论战”引发了无数科学家对“量子纠缠”现象的研究，从而点燃了量子通信的星星之火。2009年9月，中国科技大学教授潘建伟的科研团队建成了世界上首个5节点的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，走在了国际前列。爱因斯坦的幽灵：量子纠缠之谜“1935年5月的一天早晨，爱因斯坦像往常一样准时来到普林斯顿高等研究院的办公室。他来普林斯顿小镇快两年了，已经熟悉并开始喜欢这个恬静的“室外桃园”。办公桌上放着他和助手波多尔斯基、罗森一起刚刚发表在《物理评论》上的论文。他拿起来看了看，脸上露出孩子般顽皮的微笑——这回他终于可以战胜老对手玻尔了。与此同时，在大西洋彼岸的哥本哈根大学玻尔研究所，爱因斯坦的文章立刻引起了物理学家玻尔的关注和不安。这对他来说简直是个晴天霹雳！玻尔立刻放下所有的工作，他说：‘我们必须睡在问题上。’爱因斯坦和玻尔是20世纪两位最伟大的物理学家，他们都为量子理论的建立做出了奠基性的贡献。然而，他们对于这个理论的含义却一直争论不休。这一争论被称为‘关于物理学灵魂的论战’。”——引自郭光灿院士《爱因斯坦的幽灵：量子纠缠之谜》郭光灿院士书中所指的“物理学灵魂”的论战，与“量子纠缠”现象有着莫大的关系。在量子力学中，有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系，不管它们被分开多远，只要一个粒子发生变化就能立即影响到另外一个粒子，即两个处于纠缠态的粒子无论相距多远，都能“感知”和影响对方的状态，这就是量子纠缠。尽管爱因斯坦最早注意到微观世界中这一现象的存在，但却不愿意接受它，并斥之为“幽灵般的超距作用（spookyactionatadistance）”。如今，量子纠缠已经被实验证实确实存在，量子纠缠的实证已被认为是近几十年来科学最重要的发现之一，对科学界和哲学界产生了深远的影响，成为量子计算机和量子通信的理论基础，并从理论走向现实，逐渐走进人们的日常生活。量子通信——以实验驳倒爱因斯坦所谓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，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。量子通信具有高效率和绝对安全等特点，是目前国际量子物理和信息科学的研究热点。追溯量子通信的起源，还得从爱因斯坦的“幽灵”——量子纠缠的实证说起。由于人们对纠缠态粒子之间的相互影响一直有所怀疑，几十年来，物理学家一直试图验证这种神奇特性是否真实。1982年，法国物理学家艾伦·爱斯派克特（AlainAspect）和他的小组成功地完成了一项实验，证实了微观粒子“量子纠缠”（quantumentanglement）的现象确实存在，这一结论对西方科学的主流世界观产生了重大的冲击。从笛卡儿、伽利略、牛顿以来，西方科学界主流思想认为，宇宙的组成部份相互独立，它们之间的相互作用受到时空的限制（即是局域化的）。量子纠缠证实了爱因斯坦的幽灵——超距作用（spookyactioninadistance）的存在，它证实了任何两种物质之间，不管距离多远，都有可能相互影响，不受四维时空的约束，是非局域的（nonlocal），宇宙在冥冥之中存在深层次的内在联系。在量子纠缠理论的基础上，1993年，美国科学家C.H.Bennett提出了量子通信（QuantumTeleportation）的概念。量子通信是由量子态携带信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程。量子通信概念的提出，使爱因斯坦的“幽灵（Spooky）”——量子纠缠效益开始真正发挥其真正的威力。1993年，在贝内特提出量子通信概念以后，6位来自不同国家的科学家，基于量子纠缠理论，提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案，即将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方，把另一个粒子制备到该量子态上，而原来的粒子仍留在原处，这就是量子通信最初的基本方案。量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义，而且可以用量子态作为信息载体，通过量子态的传送完成大容量信息的传输，实现原则上不可破译的量子保密通信。1997年，在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态”，作为信息载体的光子本身并不被传输。经过二十多年的发展，量子通信这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展，主要涉及的领域包括：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。两束激光束以稍微不同的频率发射像猫脸一样的图像(显示具有偏离橙色和紫色的色彩)揭示了扭曲的线条中的细节，显示了纠缠在一起的两幅图像中存在的随机波动。跟踪量子密码在普朗克提出的量子理论中，量子的不可复制性是一项基本定律。如果一枚旋转着的硬币是量子世界中一个物体，一旦你要复制它，势必要对它进行测量，这种外来的行为就会改变它的运动状态。也就是说，任意量子的状态，在受到复制或测量时，都会发生变化。换个角度说，量子一旦被测量过，就不再是原来的那个量子了。所以，利用量子的这一特性制作的密码，从理论上讲是一种最为安全的密码。一个量子物质的传送过程就像光在光纤里传输过程一样，如果一个偷听者想在某一个地方偷听信息，或者将该信息内容复制下来，这就是一种测量行为，这种测量对量子体系来说意味着对整个体系的破坏，其结果是被测量的信息将全部消失。正是基于以上原理，科学家们提出了量子密码的概念，并把它应用与量子通信系统中，因此从理论上讲，量子通信是绝对安全的。实际上，关于量子密码的起源，还有一个有趣的小故事。二十世纪70年代，在量子通信概念提出以前，当时美国的伪钞特别猖狂，美国哥伦比亚大学有一个年轻的学者，提出了电子货币的概念。他建议使用量子信息建立一种无法复制的量子货币，并写了一篇文章，投到一个杂志，那个杂志的编辑认为这个年轻人简直就是胡思乱想，于是把稿子退了回去。到了二十世纪80年代，美国彼尼特和加拿大的一个密码学家BennettBrassard开国际会议闲聊时，谈到这个年轻人的想法，觉得非常有启发。于是他们就把年轻人的想法研究了一番，并提出了BB84量子密码的方案。这便是量子密码的起源。BB84量子密码的方案在已经被证明是非常成功的，即便以后的量子计算机，或更高级的仪器都无法破解。BB84量子密码已经成为目前国际上使用最多的一种量子密钥方案，而且成为量子通信的重要发展基础。自从1984年BennettBrassard提出量子密钥分发的BB84协议以来，由于其建立在量子的不确定性原理和不可克隆原理基础上的无条件安全性，量子密码得到了迅速的发展。2002年，瑞士日内瓦大学的研究组在67千米的光纤中实现了单光子密码通信；但是由于目前还没有完美的单光子源，以上实验均是用弱相干光衰减来近似得到单脉冲，其中有些脉冲仍然含有多个光子，对光子数目分束攻击就是不安全的。2003年，Hwang提出了基于诱骗态的量子密钥分发的思想，利用强度不同的弱相干态光源抵抗分束攻击。2004年，实际可行的诱骗态量子密钥分发方案被提出。2006年,我国中国科技大学教授潘建伟小组、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。注：诱骗态量子密码方案量子密码为两个遥远的用户之间建立随机、保密且无条件安全的量子密钥提供了一个强有力的工具。然而，由于实际物理设备的固有缺陷（如通信光纤传输损耗、探测器固有暗计数、单光子源的尚未实用化等），给实际系统中的量子密钥生成率和最大安全传输距离带来了局限。为了解决这个问题，国际上许多小组都进行了大量的理论和实验研究，一些新方法新技术不断被提出，诱骗态量子密码理论主要是针对窃听者分束攻击这一根本问题提出的解决方案。2003年,Hwang提出了一种抵抗分束攻击的有效方法——诱骗态（Decoy）编码方法。基本原理是发送方随机地使用两个波长、线宽等物理常数都相同，只有强度不同的弱相干态光源，其中一个称为信号态（signalstate），用于量子密钥分配；另一个称为诱骗态（decoystate），用于探测窃听者的存在。太空中的量子通信2008年，在《新物理学》（NewJournalofPhysics）杂志上，一支意大利和奥地利科学家小组宣布，他们首次识别出从地球上空1500公里处的人造卫星上反弹回地球的单批光子，实现了太空绝密传输量子信息的重大突破。这一突破标明在太空和地球之间可以构建安全的量子通道来传输信息，用于全球通信。意大利帕多瓦大学的保罗-维罗来斯和恺莎尔-巴伯利领导此研究小组，成功地利用意大利名为马泰拉（Matera）激光测距天文台的1.5米望远镜向地球上空1500公里处的日本阿吉沙（Ajisai）人造卫星发射出光子，并让此卫星将这些光子反弹回到了原始出发地。这标志着无法偷听的量子编码通信可望通过人造卫星来实现。2007年6月，一个由奥地利、英国、德国研究人员组成的小组在量子通信研究中通过创下了通信距离达144公里的最远纪录。而要达到更远的距离很难，因为大气容易干扰光子脆弱的量子状态。而巴伯利小组想出了解决办法，通过人造卫星来发送光子。由于大气随高度的增加而日趋稀薄，在卫星上旅行数千公里只相当于在地面上旅行8公里。为证实地面能观测到从轨道卫星上发送回来的光子，此研究小组从意大利马泰拉（Matera）激光测距天文台的望远镜向阿吉沙（Ajisai）人造卫星发射出一束普通的激光。阿吉沙（Ajisai）人造卫星由318面镜片组成，从精确的镜片上反弹回来的单批光子成功地回到了此天文台。参与此项研究的奥地利维也纳的量子光学和量子信息研究所著名量子物理学家安顿-宰林格（AntonZeilinger）认为太空至地球的量子通信是一项可行技术。宰林格正在打造一个人造卫星，用于产生纠缠光子，接收信息并对信息编码，之后再将编码的信息反射回来，以建立全球量子通信网络。量子通信走进日常生活——中科大建成世界首个全通型量子通信网络量子通信具有传统通信方式所不具备的绝对安全特性，不但在国家安全、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景，而且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、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，中国科技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,我国中国科技大学教授潘建伟小组、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