文 | 传感器技术（）
量子通信是近二十年发展上去的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。其带来的高效安全的信息传输日渐遭到人们的关注，并且基于量子力学的基本原理，并因而成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。
去年8月16日，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空，不到一年的时间，就完成了原定三年的星地高速量子密钥分发、量子纠缠分发和地星量子隐形传态实验三大科学目标。
中国科学技术大学的研究团队，利用“墨子号”量子科学实验卫星，在国际上首次成功实现了从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态。
量子通信又称量子隐形传送是指一种无影无踪的传送过程。量子通信是由量子态携带信息的通讯方法，它借助光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通讯过程。量子通信是一种全新通讯方法，它传输的不再是精典信息而是量子态携带的量子信息，是未来量子通信网络的核心要素。
按照常理，信息的传播须要载体，而量子通信是不需要载体的信息传递。从物理学角度，可以这样来想像隐型传送的过程：先提取原物的所有信息，然后将这种信息传送到接收地点，接收者根据这种信息，选取与构成原物完全相同的基本单元（如：原子），制造出原物完美的复制品。
量子隐形传送所传输的是量子信息，它是量子通信最基本的过程。人们基于这个过程提出了实现量子因特网的设想。量子因特网是用量子通道来联络许多量子处理器，它可以同时实现量子信息的传输和处理。相比于精典因特网，量子因特网具有安全保密特点，可实现多端的分布估算，有效地减少通讯复杂度等一系列优点。
而量子密码技术是量子通信的一个重要部份。量子密码技术与传统的密码系统不同，它依赖于物理学作为安全模式的关键方面而不是语文。实质上，量子密码术是基于单个光子的应用和它们固有的量子属性开发的不可破解的密码系统，因为在不干扰系统的情况下难以测定该系统的量子状态。同时量子加密术在公共的通配符密码术中又是联接通配符交换的一种相对较容易便捷的方法。
量子通信涉及的领域主要有：量子密码通讯、量子远程传态和量子密集编码等。
量子通信的起源及发展
最早想到将量子物理用于密码术的是英国科学家威斯纳。他于1970年提出，可借助单量子态制造不可伪造的“电子美钞”。但这个构想的实现须要长时间保存单量子态，不太现实，并没有被人们接受，但他的研究成果开创了量子密码的先河。
美国的科学家贝内特和美国的科学家布莱萨德于1984年第一次提出借助量子比特作为信息载体，通信双方先形成并安全分配量子秘钥，然后用分配好的秘钥，以"一次一密"方式实现安全通讯。这就是知名的BB84合同。
1991年，英国牛津大学的Ekert提出了一种新的量子密钥分发方案。这种方案是通过量子的纠缠态实现的。其安全性由贝尔不等式来判定。
1992年贝内特对他提出BB-84方案进行了更改，提出了只用两个非正交态来实现并且效率减半的方案一B92合同，不可克隆定律为B92合同的安全性提供了保证。
1993年英国国防研究部在光纤中用相位编码的方式实现了 BB84-QKD方案，光纤传输宽度达到了 10公里。等到1995年，在光纤中的传输距离巳经达到了30公里。
1993年，美国科学家贝内特等6位科学家，提出了一种用纯量子的方式将一个粒子的量子态转移的另一个粒子上的办法，即量子的隐型传态)技术。这种方式可以克服了量子信道对量子态的影响，保障了量子信息的安全性。
奥地利的安东，泽林格小组，于1997年，在实验室第一次以实验的方式实现了量子态隐形传输技术。等到2004年，该小组早已把量子隐形传态的距离提升到了 600米。
2002年，德国和意大利研究机构成功借助激光在相距23. 4km的两座山峰之间传输光子秘钥，证实了通过近地卫星传送量子秘钥的可能性。
2004年，美国BNN公司在马萨诸塞州剑桥城构建了世界首个量子密码通讯网路并投人运行。
2004年，中国科学技术大学的潘建伟小组在国际上率先实现了五粒子纠缠态的制备，并借助五光子纠缠源成功地完成了的量子态隐形传输，首次实现了实时语音量子保密通信。使得在城市范围的构建量子安全通讯网路的构想成为现实。同年，郭光灿研究小组成功实现125km光纤点对点的量子秘钥分配。
2007年，潘建伟小组在世界上首次实现了超过100千米的光纤量子通信实验。
2008年，欧盟成立的7节点保密通讯演示验证网路试运行成功。
2009年，潘建伟小组实现基于光开关的主动式线路切换技术，在扬州建成世界首个可自由扩展的全同型量子通信网络，并借助超导单光子探策器将安全通讯距离提升到200千米。
2011年在我国举行的"十一五"重大科技成果展上，有两项重要研究成果唤起了人们对量子通信技术的兴趣与关注。它们分别是"实验实现16公里自由空间量子隐形传态"和"光量子信息网"。
2012年8月9日的上刊载了中国科学技术大学潘建伟、彭承志等人对量子态隐形传输的最新研究成果，他们在青海湖首次成功实现了百公里级的自由空间量子态隐形传输和单向纠缠分发。
量子通信基本理论
量子信息中引入了“量子比特”的概念，在量子信息理论中，量子信息的基本单位是量子比特，。从物理学上说，量子比特就是量子态，具有量子态的属性，因此有很多不同于精典比特的特点。量子比特目前还没有一个明晰的定义，其描述是要依据具体的数学特点来描述的。
现有的精典信息以比特作为信息单元，从化学角度讲，比特是一个两态系统,它可以制备为两个可辨识状态中的一个，如是或非，真或假，0 或1。电容器平板之间的电流可表示信息比特，,有电荷代表1，无电荷代表0。
量子比特，是两个逻辑态的叠加。经典比特可以看成量子比特的特例(c0 = 0或c1 =0)。
量子态来表示信息是量子信息的出发点，有关信息的所有问题都必须采用量子力学理论来处理，信息的演化遵照薛定谔方程量子传输技术，信息传输就是量子态在量子通道中的传送，信息处理(计算) 是量子态的幺正变换，信息提取便是对量子系统施行量子测量。
一个量子比特是一个双态量子系统，即两个线性独立的态，常记为：|0>和 |1>。以这两个独立态为基矢，张成一个二维复矢量空间，即二维空间。其任意态矢Iψ>为一个二进制基本量子比特，以|0>和|1>为二维空间的基矢。
在实验中，任何两态的量子系统都可以拿来制备量子比特，作为量子态的载体，常见的有：光子的正交偏振态、电子或原子核的载流子、原子或量子点的基态、任何量子系统的空间模式等。
信息一旦量子化，量子力学的特点便成为量子信息的化学基础，其主要的有：
量子通信的基本原理
将信息的所有问题都用量子力学的理论来处理：信息传输就是量子态在量子通道中的传送，信息处理是量子态的幺正变换，信息提取便是对量子系统施行量子测量。
量子隐形传态即用量子态作为信息载体，通过量子态传送完成大容量信息的传输，是一种脱离实物的 “完全”的信息传送，能够实现原则上的完全保密。量子隐形传态和密集编码是量子通信中比较典型的两种形式，,前者借助精典辅助的方式传送未知的量子态，而后者则是借助量子信道传送用精典比特表示的信息。
在悬疑连续剧中，常常出现这样的场景：一个神秘的人物在某处忽然消失,而后却在异地莫名其妙地突显下来。隐形传送()一词即来源于此。遗憾的是，在精典通讯中，,这种实现隐型传送的方式违反了量子力学的基本原理之一——不确定关系。因此长期以来，这只不过是一种科学幻想而已。
然而量子通信不仅推广精典信息中的信源与信道等概念外,还引入了其特有的量子纠缠( )，创造了量子隐形传态这样一个精典通讯中不可思议的奇迹。
1993年等六位科学家提出将未知量子态的信息分为精典信息和量子信息两部份，分别由精典信道和量子信道传送给接受者。经典信息是发送者对原物进行某种检测所获得，量子信息是发送者在检测中未提取的其余信息。
如图所示,假设发送者Alice欲将粒子1所处的未知量子态传送给接收者Bob，在此之前，两者之间共享由 ，，Rosen提出的处于最大纠缠态的两个粒子组成的对。
Alice对粒子1和她拥有的EPR粒子2施行Bell基联合检测(BS)，测量的结果将出现在四种可能的量子态当中的任意一个，其概率为1/4，对应于Alice不同的检测结果，Bob的粒子3坍缩到相应的量子态上。因此,当Alice经由精典通道将她的侦测结果告Bob以后，他就可以选择适当的幺正变换U粒子3制备到精确复制态上。
量子隐形传态的特征是仅仅是量子态被传送，但粒子3本身不被传送。而在Alice检测以后，初态已被破坏，因此这个过程不是量子克隆。
近年来人们又将注意力转向传送一个未知的纠缠态，就此提出了一些理论方案。
在量子隐形传态中,实现了精典信息对量子信息的传输。那么，我们是否可以借助量子信道来传送精典信息呢?
假设Alice和Bob共享处于纠缠态的一对粒子，从而构建量子通道。Alice 在四种可能的幺正变换中任选一种对其纠缠粒子A进行操作,这种作用实际上是将两个比特的精典信息进行编码。其后，Alice将粒子A发送给Bob,Bob通过对两个粒子进行Bell基联合检测，即可确认Alice所做的变换，从而获得2个比特的信息，,也就是说，仅仅通过传送一个粒子便能成功地传送2个比特的精典信息。这就是所谓的“密集编码”。
量子通讯系统的组成
量子通讯系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子检测装置。
该模型包括量子信源、编码器(量子态发生器)、信道(量子通道)、解码器(量子测量装置)和量子信宿几个主要部份。
当中：量子信源是消息形成器；量子信宿是消息的接受者；量子编码器用于把消息变换成量子比特，用量子态作为消息的载体以传输量子信息；量子译码器用于把量子信息比特转换成消息；
信道包括量子传输信道和辅助信道两个部份：量子传输信道就是传输量子讯号的通道，辅助信道是指不仅传输信道和检测信道外的其他附加信道，如精典信道，图中实线表示。在量子信道可以单独使用，也可以与精典信道结合上去传输量子信息和精典信息；量子噪音是环境对量子讯号影响的等效描述。
在量子通信中，运算对象是量子比特序列，它们不但可以处于各类正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上，在基于纠缠光源的量子通讯技术中，信息的载体是纠缠光子对，利用纠缠光子对的光子状态互相关联来实现量子通信。
量子秘钥的基本原理
广泛用于网路金融行业的保密通讯系统是一种所谓的RSA私钥体系，它的安全性基于大数因式分解这样一类不易估算的单向函数，其原理如图4-1所示。数学上似乎没有严格证明这些秘钥不可破译，但现有的精典计算机几乎难以完成这些运算。
Short算法证明，采用量子计算机可以轻而易举地破译这些私钥体系。也就是说，一旦量子估算领域获得重大突破，它所具有的特殊性能，将使现今的私钥体系彻底地“无密可保”。
另一方面，量子通信是目前科学界公认的唯一能实现绝对安全的通讯方法，它借助量子力学的测不准原理和量子不可克隆定理，通过公开信道构建秘钥，当事人之外的第三方根本不可能破解其密码。其最终目标是解决通讯的绝对安全等精典通讯所存在的一系列根本性问题。
目前,量子密码术的研究导致了人们的广泛兴趣，在理论和实验方面均取得了重要进展。
目前，量子密码的方案主要有以下几种：
1、基于两种共轭基的四态方案,其代表为BB84合同[7]。
2、基于两个非正交的两态方案,如BB92合同。
3、基于量子纠缠的EPR粒子对方案，称为E91合同。
3、基于正交态的秘钥分配方案,其基础为正交态的不可克隆定律。
近年来，人们开始寻求一种严格证明量子秘钥分配(QKD)的安全性的方式，起初的几种证明方式都不尽如人意,甚至须要用到量子计算机。2000年， 提出了一种简单的方案，巧妙地将纠缠纯化方案和量子纠错码(CSS码)结合上去，严格地证明了BB84方案的安全性。
量子秘钥分配的第一个演示性实验由等人完成。随后，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室，,创造了目前光纤中量子密码通讯距离的新纪录。他们通过先进的电子手段，以B92方案成功地在历时48km的地下光缆中传送量子秘钥 。自由空间中的QKD也不断地取得突破，现在达到的传输距离为115km。
在上述方案中，量子密钥是在两点之间传输、建立的，因而都是点对点的传输系统。密钥分配想要实用化，就必须在网路中得以实现，能够进行一点对多点或则任意两点之间的秘钥传递。
网络秘钥传输有树形、环状、链式等多种结构，这里就其中树形结构网路做简略介绍。
树状结构网路可以用下边的示意图(图4-2)简单表示，其中S是发送端，而R1 是其中的一个接收端，O代表光纤分束器。尽管树状网中有很多接收端，但是因为量子秘钥中的载体通常情况下都是单粒子态，,因而她们既不能被分流也不能被克隆。
从发送端S发送的一个单粒子只能被其中的一个接收端接收，,这相当于发送者S与这个接收端之间经历了一个点对点的秘钥分配系统。因此,在一系列的数据传输完成以后，各个单粒子态分别随机地被某个接受端接收，最终的疗效相当于发送者S与n个接收者之间分别构建一套点对点的秘钥传输系统,分别构建和分配了一组秘钥序列。建立的形式可以是现存方式中的任何一种。
关于量子保密通信，依然存在好多问题须要解决，其中包括量子秘密共享、网络量子密码、身份认证、数字签名，以及近来提出的量子指纹等。这些方案的优越性在理论上早已得到否认。
量子秘钥通讯系统组成
量子秘钥通讯系统包括量子信源、信道和量子信宿三个主要部份，其中信道包括量子传输信道、量子测量信道和辅助信道三个部份。图中的秘钥信道是通信者之间最终将获得的秘钥对应的信道，是量子秘钥分配合同的最终目标，该信道不是量子密钥分发过程中的组成部份，图中用实线表示。辅助信道是指不仅传输信道和检测信道外的其它附加信道，如精典信道，图中用实线表示。
通信兴业宿收到的首先是消息，信息不等于消息，但包含在消息之中，因此，信息的特点往往通过消息来研究。一般来说，信源就是信息的来源，不同的信源发出的消息不同。
若信源输出的是量子讯号，这种信源称为量子信源。对一个信源的认识一般须要对该信源的物理描述、信源的结构与性质以及信源编码等几个方面有清晰的了解。
在量子信源方面对这种问题的理解和研究还不深入，很多问题有待进一步研究。参照精典信息理论，量子信源可定义为输出特定量子符号（消息）集的量子系综。
显然，一旦指定量子符号集，量子信源具有确定的物理结构，因而可以用一个确定的物理形式描述量子信源。需要强调的是，量子信源不等于量子系综，因为量子系综包含了更多的化学属性，而量子信源只是量子系综化学属性的一个方面。
信道是量子秘钥分配合同的重要部份。信道部份包括量子传输信道、测量信道和辅助信道三个部份。
所谓量子传输信道就是量子讯号的实际传输路线。量子传输信道与精典信道类似，信道属性依赖于信道的输入和输出以及描述输入和输出之间关系的条件机率，因此，量子传输信道的物理描述方式与精典传输信道的物理描述一样。
但是，量子传输信道不同于精典传输信道量子传输技术，因为量子传输信道的特点深受量子物理学的约束，即信道受发射讯号的量子物理特点的强烈约束，这是由量子物理中不同于精典化学的特点所造成的。
量子通信的特征
量子通信与传统通讯技术相比，具有如下主要特征和优势：
1、具有极高的安全性和保密性，根据量子不可克隆定理，量子信息一经测量都会形成不可还原的改变，如果量子信息在传输中途被泄露，接收者必将能发觉，量子通信没有电磁辐射，第三方难以进行无线窃听或侦测；
2、时效性高传输速率快，量子通信的线路信噪比近乎为零，量子信道的信息效率相对于精典信道量子的信息效率高几十倍，并且量子信息传递的过程没有障碍，传输速率快；
3、抗干扰性能强，量子通信中的信息传输不通过传统信道，与通讯双方之间的传播媒介无关，不受空间环境的影响，具有完好的抗干扰性能，同等条件下，获得可靠通讯所需的信噪比比传统通讯手段低30～40dB；
4、传输能力强，量子通信与传播媒介无关，传输不会被任何障碍阻隔，量子隐形传态通讯就能穿越大气层，既可在太空中通讯，又可在海底通讯，还可在光纤等介质中通讯。
量子通讯技术展望
作为信息传输安全的解决方案，量子通信成为各国重点攻关的方向，而我国在这一领域也处于世界领先地位。国信证券研究报告称，国内已打算将量子通信进行商用。量子通讯可能成为继铁路、核电外又一张国家“名片”。
目前，量子通信的基本理论和和框架早已产生，在单光子、量子侦测、量子储存等量子通信关键技术获得发展和突破条件下，各种理论体系正日趋建立，量子通信技术早已从科研阶段逐渐步入试点应用阶段；量子通信的绝对保密性也决定了其在军事、国防、金融等领域有着宽广的应用前景，随着技术日趋建立和成熟，在未来的大众商业市场中，量子通信将具有极大的应用潜力。