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1、中国科学:信息科学2014年第44卷第3期:296{311www.scichina.cominfo.scichina.com量子信息专刊·评述量子通信现状与展望¬•®¯∗¬®吴华,王向斌,潘建伟¬中国科学技术大学公共事务学院,合肥230026•清华大学物理系低微量子物理国家重点实验室,北京100084®量子信息与量子科学前沿协同创新中心,合肥230026¯济南量子技术研究院,济南250101*通信作者.E-mail:wangxiangbin@hotmail.com收稿日期:2013–08–06;接受日期:2013–12–16国家重点研究发展计划(批准号:2007CB9079
2、00,2007CB807901)、国家自然科学基金(批准号:60725416,11174177)、国家高技术研究发展计划(批准号:2006AA01Z420,2011AA010800,2011AA010803)和山东万人计划项目资助摘要本文综述量子通信基本原理、方法、技术手段与应用.介绍量子保密通信基本协议和诱骗态方法,以及基于纠缠分发的量子通信,含基于纠缠光子对的量子保密通信、量子态隐性传输、纠缠光子对操控等.介绍量子通信的技术与应用现状并对未来发展方向做展望.关键词量子通信量子密钥分发BB84协议诱骗态方法量子隐形传态纠缠光子对操控量子网络1引言“最近的16公里量子态隐形
3、传输的成功试验表明,中国将有能力建立起卫星与地面的安全量子通信网络.”——美国《时代周刊》在“爆炸性新闻”栏目中以“中国量子科学的飞跃”为题,对2010年中国科技大学与清华大学合作完成的16公里量子态隐形传输试验进行了评论.相比于经典通信,量子通信究竟有哪些优势,有哪些应用,源于何种原理以及方法和技术手段等,无疑是大家所关心的.我们将在此介绍量子通信的基本概念与方法、技术现状,以及未来应用前景.量子通信的基本思想主要由Bennett等于20世纪80年代和90年代起相继提出,主要包括量子密钥分发(quantumkeydistribution,QKD)[1]和量子态隐形传输(q
4、uantumteleportation)[2].量子密钥分发可以建立安全的通信密码,通过一次一密的加密方式可以实现点对点方式的安全经典通信.这里的安全性是在数学上已经获得严格证明的安全性,这是经典通信迄今为止做不到的.现有的量子密钥分发技术可以实现百公里量级的量子密钥分发[3],辅以光开关等技术,还可以实现量子密钥分发网络[4;5].量子态隐形传输是基于量子纠缠态的分发与量子联合测量,实现量子态(量子信息)的空间转移而又不移动量子态的物理载体,这如同将密封信件内容从一个信封内转移到另一个信封内而又不移动任何信息载体自身.这在经典通信中是无法想象的事.基于量子态隐形传输技术和
5、量子存储技术的量子中继器可以实现任意远距离的量子密钥分发及网络.引用格式:吴华,王向斌,潘建伟.量子通信现状与展望.中国科学:信息科学,2014,44:296{311,doi:10.1360/N112013-00120中国科学:信息科学第44卷第3期图1单光子偏振Figure1Singlephotonpolarization量子通信的实现基于量子态传输.为便于传输,现有的量子通信实验一般以光子为量子态载体,其表现形式即为光子态传输.量子信息的编码空间以光偏振(见图1)为主.如前所述,量子态隐形传输只是在空间转移量子信息(量子态),但并不转移量子信息的物理载体.若以光子为量子
6、信息载体,量子态隐形传输就是把量子信息从一个光子上转移到远处另外一个光子上.这样的量子态隐形传输有一个明显的应用:在恶劣通道情况下,若直接传输光子本身进行量子通信,将会由于误码率过大而无从实现通信任务.而基于量子态隐形传输的量子通信由于无需传输光子本身,其通信质量不受物理通道影响.量子态隐形传输需要通信双方预先共享一个量子纠缠态(常用的两光子量子纠缠态又称纠缠光子对,或纠缠对).为了预先共享纠缠对,需要预先进行纠缠对分发.实际上,纠缠分发本身也可以用来实现量子密钥分发.通信双方预先共享的纠缠对的质量取决于纠缠分发时的通道状况.用于各类噪声的存在,共享纠缠对一般是不理想的.B
7、ennett等人[1;2]的理论表明,通过对不理想纠缠对纯化可以获得高质量纠缠对.基于此可以实现高品质的量子态隐形传输.目前,量子态隐形传输[6]、纠缠光子对分发[7;8],以及纠缠纯化[9;10]都已经获得广泛实验研究.基于BB84协议的量子密钥分发无需共享纠缠对资源,只需要单光子态传输.目前真实系统没有理想单光子源,采用的是近似单光子源,即强度为单光子量级的弱激光源,后简称弱光.由于传输损耗,基于弱光传输的量子密钥分发安全距离受到严重限制.另一方面,窃听者可以冒充通道损耗进行光子分数攻击(photonnumbe
