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        想象力比知識更重要，因?yàn)橹R是有限的，而想象力概括著世界上的一切，推動著進(jìn)步，并且是知識進(jìn)化的源泉。嚴(yán)肅地說，想象力是科學(xué)研究中的實(shí)在因素。—愛因斯坦（A.Einstein）

量子通信是利用量子糾纏和量子態(tài)的特性來實(shí)現(xiàn)通信的一種方式。量子糾纏是指兩個或多個量子系統(tǒng)之間存在一種特殊的相互關(guān)系，即使它們之間的距離很遠(yuǎn)，它們的狀態(tài)仍然是相關(guān)的。這種相互關(guān)系可以用來傳輸信息。量子態(tài)是指一個量子系統(tǒng)的狀態(tài)，它可以是一個粒子的自旋、位置等。

一、量子通信概述

        量子通信是由量子態(tài)攜帶信息的通信，它利用光子等基本粒子的量子糾纏原理實(shí)現(xiàn)保密通信。追溯量子通信的起源，還得從愛因斯坦的量子糾纏——糾纏態(tài)粒子之間的相互影響說起，幾十年來，物理學(xué)家一直試圖驗(yàn)證這種神奇特性是否真實(shí)。1982年，法國物理學(xué)家艾倫·愛斯派克特（Alain·Aspect）小組成功地完成了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了微觀粒子——量子糾纏現(xiàn)象確實(shí)存在。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛因斯坦的幽靈——任何兩種物質(zhì)之間，不管距離多遠(yuǎn)，都有可能相互影響，而不受四維時空的約束。

       在量子糾纏理論的基礎(chǔ)上，1993年，美國科學(xué)家C.H.Bennett提出了量子通信的概念。

       1997年，在奧地利留學(xué)的中國青年學(xué)者潘建偉與荷蘭學(xué)者波密斯特等人合作，首次實(shí)現(xiàn)了未知量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸。這是國際上首次在實(shí)驗(yàn)中成功地將一個量子態(tài)從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實(shí)驗(yàn)中傳輸?shù)闹皇潜磉_(dá)量子信息的“狀態(tài)”，作為信息載體的光子本身并不被傳輸。

        量子通信是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種絕對安全的新型通信方式，其核心就是通過量子密鑰分發(fā)，實(shí)現(xiàn)相距遙遠(yuǎn)的通信雙方共享絕對安全的魚子密鑰。所以，量子密鑰分發(fā)的發(fā)展史幾乎也就是量子通信的發(fā)展史。魚子密鑰分發(fā)需要將信息編碼在單個光子的量子態(tài)上，但是在實(shí)際的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)中，由于理想的單光子源技術(shù)尚不成熟，通常使用弱相干光源作為替代，這也導(dǎo)致保密性的降低。2005年，清華大學(xué)王向斌教授和多倫多大學(xué)Lo等人分別獨(dú)立提出了可實(shí)用化的誘騙態(tài)方案，大大提升了基于弱相干光源的量子密鑰分發(fā)的理論安全傳輸距離。隨后，量子通信得到了飛速發(fā)展，并逐步邁入實(shí)用化的階段。

        在已經(jīng)成熟的經(jīng)典光纖通信技術(shù)的支持下，基于光纖傳輸?shù)牧孔油ㄐ虐l(fā)展尤為迅猛。

        1993年，日內(nèi)瓦大學(xué)Muller等人首次完成了基于偏振態(tài)編碼的光纖量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，傳輸距離為1km，隨后在1995年將這個距離提高到了23km。誘騙態(tài)理論提出后，在2007年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉小組完成了100km光纖傳輸距離的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。2010年，潘建偉小組實(shí)現(xiàn)了200km的光纖量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。2015年，Korzh等人將傳輸距離刷新到307km，這是目前光纖信道分發(fā)量子密鑰的最大傳輸距離。

        另一方面，隨著光纖傳輸量子通信技術(shù)的成熟，實(shí)用化的光纖傳輸量子通信網(wǎng)絡(luò)也逐漸發(fā)展起來，包括美國的DARPA量子通信網(wǎng)絡(luò)、歐洲的SECOQC量子通信網(wǎng)絡(luò)、瑞士的SwissQuantum量子通信網(wǎng)絡(luò)和東京的Tokyo量子通信網(wǎng)絡(luò)等。而中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉小組也分別在北京、濟(jì)南和合肥建立了實(shí)用化的城域量子通信實(shí)驗(yàn)網(wǎng)，結(jié)合目前正在建設(shè)中的量子通信京滬干線，將在未來連接北京、濟(jì)南、合肥和上海，實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的廣域網(wǎng)光纖傳輸量子通信。

二、量子通信系統(tǒng)

       量子通信是利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型通信方式，是量子論和信息論相結(jié)合的新領(lǐng)域，主要涉及量子密碼通信、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等。

       量子通信的基本思想是，將原物的信息分成經(jīng)典信息和量子信息兩部分，它們分別經(jīng)經(jīng)典信道和量子信道傳送給接收者，如圖10.8.1所示。經(jīng)典信息是發(fā)送者對原物質(zhì)進(jìn)行某種測量而獲得的，量子信息是發(fā)送者在測量中未提取的其余信息；接收者在獲得了這兩種信息后，就可以制備出原物量子態(tài)的完全復(fù)制品。該過程中傳送的僅是原物質(zhì)的量子態(tài)，而不是原物本身。

圖10.8.1量子通信系統(tǒng)原理示意圖