跨入21世纪后的近十余年，出于推进社会全面信息化和维护国家深层战略安全利益的需要，越来越多的大国都在寻求一种比电子信息技术更能确保高效、安全的信息传输方式与手段，并纷纷投以巨资，开展系列尝试与艰巨研发。而之前若干年，先在欧美国家悄然兴起，稍后即有我国科学家共同参加开创性研究的量子通信及量子信息技术，正是现今最理想的信息技术之一。国际上一些科学家们预计，今后十年左右很有望实现全球化的量子通信，再过二三十年量子通信技术势必将对整个人类社会的发展产生难以估量的影响，量子通信还将改变未来信息产业的发展格局。

　　量子通信原理及其起源与特点

　　量子通信的原理与基本应用技术

　　量子通信是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信方式。从物理学的角度分析，量子是不可分的最小的能量单位。在量子力学中，该种微观粒子的运动状态，被称为量子态。量子纠缠是指微观世界里，有共同来源的两个微观粒子之间存在着某类纠缠关系，两个处于纠缠状态的粒子无论相距多远，却都能“感应”对方的状态，产生互通渠道。

　　量子通信是在物理极限下，利用量子效应而实现的高性能通信方式，主要涉及到的技术为量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。量子通信系统的基本部件包括有量子态发生器、量子通信和量子测量装置。量子通信是经典信息论与量子力学相结合的一门新兴交叉学科，按其所传输的信息类型是经典，还是量子，而分为两类，前者主要用于量子密钥的传输，后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。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，实现理论上不可破译的量子保密通信。

　　量子通信的起源及步入国际前台

　　在信息技术领域，现今世界上首先想到要将量子物理用于密码术的科学家是美国人威斯纳（S.Wiesner）。1982年，法国物理学家艾伦·爱斯派克特（Alain Aspect）及其研究小组又进而用实验证实了微观粒子量子纠缠现象的客观存在。1993年，美国科学家贝内特（C.C.Bennett）基于多年的科研工作积累，便明确地提出了量子通信的概念。与此同时，有六位来自不同国家的科学家也相应提出利用经典与量子相结合方法来实现量子隐形传态的方案。从1994年开始，量子通信研究逐步由理论走向实验，并朝着实用化目标发展，世界各国政府、国防部门、科技界和信息产业界纷纷予以高度重视，量子通信技术已俨然成为当今世界发达国家激烈竞争的前沿焦点和热点。正因为量子通信与国家战略安全利益紧密相连，所以，美国、日本和欧盟均不惜投入大量人力、物力、财力，对量子通信加强攻关，并积极推广、应用量子通信技术。近些年来，全球信息产业界的各大巨头象IBM、Philips、AT&T、Bell实验室、HP、西门子、NEC、日立、三菱、NTT等，都在对量子通信技术注入大量奠基资本，抓紧开展量子通信技术的研发和产业化。除了众多企业表现得动作迅速之外，美国的国防系统、科研机构、高校，日本的邮政一类省厅、科研机构、高校，欧洲国家中如英国、法国、德国、意大利、奥地利、西班牙等的相应机构，也同样在争先恐后地进行以量子通信、量子计算和量子信息科学为主攻方向的研究。

　　中国科学家对量子通信深入攻坚的时间起点是在1997年，早期合作对象主要是奥地利及荷兰两国的学者，取得的出色成果则是在世界上首次实现了未知量子传输。这位中国科学家便是潘建伟。其于1999年回到母校中国科技大学后，不仅领头创建了在国内外堪称顶尖水平的“量子物理和量子信息实验室”，而且在十年之内接连推出了量子隐形传态、量子纠缠分发、量子超远距离传输中继器使用研究等大批优异成果，受到国际上量子信息界的权威专家和机构的一致赞赏。自2010年至今，全国几个最具代表性城市（合肥、济南、北京、乌鲁木齐、芜湖等）量子通信城域网建设工程已在分别实施。由于有中国科学院和科技部的大力支持，世界首颗量子通信实验卫星的发射也将在2015年完成。

　　量子通信的突出特点及其技术目标和构架

　　进入21世纪初叶，随着世界电子信息技术的快速发展，以微电子技术为基础的信息技术即将达到物理极限，而以量子效应为基础的量子通信，则日益显示出将成为引领未来科技发展重要领域的征象。量子通信最突出的特征是：在通信安全性、计算能力、信息传输通道容量、测量精度等方面都会明显突破经典技术极限，同现今成熟的传统通信技术相比，具有高度安全性、超大信道容量、超高通信速率、远距离传输和高效率等显著特点。

　　量子通信的技术性能十分优越且非常实用。以量子通信网络为例，通常都会聚合传输平面、控制平面和管理平面等几大有机板块构成体系。传输平面主要是由光传输链路和量子交换模块组成，传输链路一般又包括光纤、分束器、光复用器和解复用器等设备。控制平面是量子通信网络的核心部分，主要功能包括：信令传输、呼叫连接控制、链路资源管理、路由管理、用户接口等。管理平面则是由量子通信网络各个节点的管理层组成，目的即在于实现管理功能的分布化。当两个或多个用户一旦需要进行通信时，便可由管理平面向控制平面发送通信请求消息，控制平面根据通信需求和传输平面的拓扑信息等再寻找路由，并将所控制的消息传送给传输平面，因而在通信双方之间建立起端到端的物理连接。

　　另外，从量子通信所具备的独特技术价值来看，也大大地超过或远高于传统通信技术的能力和范围。

　　在通信安全性方面，量子通信技术的安全性是基于量子密码学，并以量子状态作为密钥而突破了传统加密方法的束缚，明显具有不可窃听、不可复制性和理论上的“无条件安全性”。由于任何截获或测试量子密钥的操作，都会改变量子状态，所以量子通信总会确保两地之间密钥分配和通信的绝对安全性，使之变作安全保密通信。量子通信所提供的密钥将始终无法被破解，对于信息的加密也不再是要依靠传统加密技术所依赖的复杂算法，而是稳稳当当地靠物理法则来保证，乃致被认为是保障通信安全的终极技术手段。

　　在信息传输通道方面，量子信息传递过程从来不会被任何障碍所阻隔，线路时延可以为零，因此能实现最快通信，并且不存在任何电磁辐射污染，整个通信程序完全可以达到充分环保。

　　在通信远距离方面，量子通信属于远距离通信，在量子隐形传态过程中随时都有穿越大气层的可能性，而这就为未来基于卫星量子中继的全球化量子通信网夯实了可靠基础与前提。

　　事实证明，在任意距离间传输未知量子态和进行纠缠分发，是实现远距离量子通信及分布式量子网络必不可少的环节。由于自由空间总是具有能量损耗小、可行性强等优点，所以，许多国家的科学家都把注意力集中投向通过空间途径和利用中继器，来实现超遥里程的远距离量子态隐形传输和纠缠分发，再结合卫星的帮助，今后几十年完全有可能实施全球化量子通信。量子通信及其连带的量子信息成套技术的研发如果达到这种程度，必然会给不同国家的产业转型造成又一场新的更大冲击。

　　量子通信的应用领域及其发展前途

　　从一些国家近几年的研究结果可以看到，量子通信在军事、国防、金融、工程和社会公共设施等信息安全领域都有着尤为重大的应用价值与开发前景，不仅可用于军事、国防等领域的国家级保密通信，还可用于涉及秘密数据与票据的政府、电信、证券、保险、银行、工商、地税、财政等领域和部门的复杂业务。

　　在国防和军事领域，量子通信首先是能够应用于通信密钥生成与分发系统，以便向未来战场覆盖区域内任意两个用户分发量子密钥，于是构成作战区域内机动的安全军事通信网络。其次，是能够应用于信息对抗，以改进军用光网信息传输保密性，由此提高信息保护和信息对抗能力。再次，是能够应用于深海安全通信，以便为远洋深海安全通信开辟崭新途径和向标。最后，是可利用量子隐形传态以及量子通信的绝对安全性、超大信道容量、超高通信速率、远距离传输和信息高效率等特点，以便建立能满足军事特殊需求的军事信息网络，从而为军事和国防赢得先机。

　　在国民经济领域和相关实业部门，量子通信首先可用于金融机构的隐匿通信等；其次是可用于对电网、煤气管网等重要能源供给基础设施的监视和通信保障；最后是可用于对自来水管网及其他关涉民生信息网络基础设施的监视和通信保障。总之是与所有同促进国民经济健康、有序发展相关的部门或行业都直接、紧密联系，应用范围极广。

　　在科技、教育、卫生领域的，量子通信首先是在发展导向上将使传统通信手段能更有效地由听觉朝着视觉发展，由以人为主朝着以机为主发展以及调动一切因素朝着高速率化和宽频域化发展，利用一切条件朝着全数字化发展，开辟一切渠道朝着超远距离化和绝对安全化发展。其次是量子通信发展的多样化、多层次、多功能，也会在科技、教育、卫生和其他部门的应用越来越样式翻新。诸如会让城市的内涵和外延出现新的变革，让社会生产、科技与教育活动愈加精细化、远程化和分散化、自主化，让劳动的性别差异更显趋等化，让卫生、医疗、保健、养生更为强调人性、人格、仿生、创生、再生的先进效能和需求。

　　量子通信凭借量子纠缠，在特定背景下，即使不通过任何介质，也可以实现文字、图片、声音、视频等信息的精确传输。由此，只要成功利用对多光子纠缠的稳定操纵，就能实现终端开放的量子隐形传态、超越经典极限的精密测量以及量子纠错等种种量子通信、量子计算、量子模拟和量子度量等在不同行业的研发。

　　量子通信的科学价值与产业推广地位

　　量子通信的整套理论和技术从起源上说，都是经典通信与量子力学相结合的产物，而量子通信的理论和技术核心是量子隐形传态、密集编码及量子密码学。量子力学一直被认作是与相对论同等重要的现代物理学的两大支柱之一。在量子力学诞生后的100多年间，尽管利用相对论和量子力学原理曾分别做出了诸如原子弹、氢弹、晶体管、激光、核磁共振、高温超导、巨磁阻等一大批重大科学发现和技术成就，但是，对于隐藏在量子世界深处的许多最珍贵的资源宝库，毕竟依然缺乏全面、真正的了解与认识。如今，由欧美和亚洲部分国家科学家共同参加研发的量子通信、量子计算及其他量子探索项目，正好为人类揭开了将量子研究作为未来技术创新动力源的决战帷幕。事实证明，围绕量子理论和应用进行的一桩桩研究，其意义的确异常深远、宏大。

　　在信息科学方面，量子研究的作用不仅体现在可极大提高运算速度和确保信息安全，并且还能实现超高精度的测量，突破传统信息技术的极限，使信息科学与技术达到现代最新水平。

　　量子通信研究的基础是来自对量子微观客体整个系统的理论与应用分析及制备。由于各国科学家们的奋力攻关和成果汇聚，目前，量子通信的理论框架已经基本形成，理论体系正日趋完善，量子通信技术亦同样具备了实用化和产业化的能力，而欧美日发达国家则明确将其列为优先发展的战略性科技。伴随着量子通信理论研究及实践应用的持续跟进与突破，完全可以预料，其产业化浪潮十年之后就会来临，而且其市场前景亦会无比广阔。

　　作者单位：

　　冯骥国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心

　　冯江源中国科学技术大学国际发展研究所