从理论到实践：量子通信的发展历程

贝尔纳曾说：“科学与战争一直有着极其密切的联系。”如果要追溯风靡全球的信息化战争之科技源头的话，无疑是1946年世界第一台计算机“ENIAC”诞生所开启的电子信息科技革命。然而，信息技术在遵循“摩尔定律”飞速前行了数十年之后，制约其进一步发展的系列问题日渐凸显：电子计算机的极限运算速度是否存在？对此，近年来不断突破的量子信息技术正在开启新的机遇之门。

过去50多年对量子纠缠的实证，恰恰就是量子通信（Quantum Communication）的起源。量子通信是利用量子纠缠效应[1]进行信息传递的一种新型的通信方式，是量子论和信息论相结合形成的新的研究领域。广义的量子通信，根据传输的信息是经典比特或量子比特，可分为量子保密通信和量子隐形传态，前者用于量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD），后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。目前业内所说的量子通信，指的是狭义的量子通信技术，一般称为量子保密通信，即用于量子密钥分发。

量子密钥分发

量子密钥分发是利用量子纠缠的特性去实现密钥的安全分发，目前主要通过在光纤或者自由空间利用光子的偏振或者相位特性来实现，同时还需要传统互联网信道完成数据传输。发送方或接收方，通过一定的手段（如激光器）制备出两个处于纠缠态的光子（EPR对）。将其中的一个通过光纤发送至另一方，然后双方对光子进行测量。根据量子纠缠特性，两个光子一个左旋一个右旋，这样双方就可以得到互补的二进制0和1。至于哪一方得到0、哪一方得到1并不影响密钥分发，因为只需要双方的密钥对应即可。在这个过程中，并没有真正地实现一方将任意信息发送给另一方，但双方得到了相互对应的密钥。另外由于是通过粒子作为载体进行传输，不可能实现超光速通信。

量子密钥分发要解决的问题，并非取代现有的通信技术，真正的目的是解决通信安全问题。量子密钥分发的安全性体现在，第三方不能获取到密钥，这主要基于两个重要原理：一是量子态不可克隆原理，不能实现量子态的完美复制（不完美是可以的），也就是前面所说的粒子传输过程中，无法完美复制它的量子态。例如，粒子A和粒子B是两个纠缠态粒子，粒子A一会儿左旋一会儿右旋，而粒子B和粒子A始终保持状态完全相反，无法实现让粒子C的运动状态保持始终和粒子B一样，也就是不能完美复制。二是“海森堡测不准原理”。对量子态进行测量，很有可能改变其状态。例如，观测的瞬间是左旋，可能测完就变成了右旋。基于这两个原理，在以粒子为载体的密钥传输过程中，第三方不能复制它的量子态，也不能对它进行测量。一旦进行测量，接收方收到的状态就会有很大变化，从而得知有第三方进行了测量（试图窃取）。(https://www.xing528.com)

量子隐形传态

量子通信的另一个应用——量子隐形传态（Quantum Teleportation）是1993年按照量子力学设计出来的一种实验方案，即把一个粒子A的量子态传输给远处的另一个粒子B，让粒子B变成粒子A最初的状态，传的是状态而不是粒子。量子隐形传态并不是瞬间传输，密码传输仍然依赖传统信道，因此传输速度不可能超光速，因此也并未推翻相对论。

1997年，奥地利量子物理学家塞林格教授（Anton Zeilinger）带领的团队首次实现了单个光子单自由度的量子隐形传态，且在《自然》上发表了一篇题为《实验量子隐形传态》（Experimental quantum teleportation）的论文，该论文入选了《自然》的“百年物理学21篇经典论文”。2015年，塞林格教授的学生——中国量子卫星项目首席科学家潘建伟院士所带领的研究组实现了单个光子双自由度的量子隐形传态。鉴于光子具有轨道角动量和自旋角动量两个自由度，因此可以说潘院士研究组实现了单个光子的完整意义上的量子隐形传态。

[1] 中科大量子信息实验室的郭光灿院士曾举例说明量子纠缠，如在美国的女儿生下孩子那一瞬间，远在中国的母亲就变成了外祖母，即便她自己还不知道，因为母亲与女儿之间有一种纠缠关系。