姓名：于川皓 学号：16140210089
转载自：https://www.zhihu.com/question/20919153
【嵌牛导读】：量子通讯主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们的关注。基于量子力学的基本原理，量子通讯具有高效率和绝对安全等特点，并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。
【嵌牛鼻子】：通信，量子
【嵌牛提问】：量子通信将会给我们带来什么？
【嵌牛正文】：量子通讯系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。按其所传输的信息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。所谓隐形传送指的是脱离实物的一种“完全”的信息传送。从物理学角度，可以这样来想象隐形传送的过程：先提取原物的所有信息，然后将这些信息传送到接收地点，接收者依据这些信息，选取与构成原物完全相同的基本单元，制造出原物完美的复制品。但是，量子力学的不确定性原理不允许精确地提取原物的全部信息，这个复制品不可能是完美的。因此长期以来，隐形传送不过是一种幻想而已。
1993年，6位来自不同国家的科学家，提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传态的方案：将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方，把另一个子制备到该量子态上，而原来的粒子仍留在原处。其基本思想是：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息；接收者在获得这两种信息后，就可以制备出原物量子态的完全复制品。该过程中传送的仅仅是原物的量子态，而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的粒子处于原物的量子态上。
在这个方案中，纠缠态的非定域性起着至关重要的作用。量子力学是非定域的理论，这一点已被违背贝尔不等式的实验结果所证实，因此，量子力学展现出许多反直观的效应。在量子力学中能够以这样的方式制备两个粒子态，在它们之间的关联不能被经典地解释，这样的态称为纠缠态，量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间的非定域非经典的关联。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，实现原则上不可破译的量子保密通信。1997年，在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态”，作为信息载体的光子本身并不被传输。为了进行远距离的量子态隐形传输，往往需要事先让相距遥远的两地共同拥有最大量子纠缠态。但是，由于存在各种不可避免的环境噪声，量子纠缠态的品质会随着传送距离的增加而变得越来越差。因此，如何提纯高品质的量子纠缠态是量子通信研究中的重要课题。
国际上许多研究小组都在对这一课题进行研究，并提出了一系列量子纠缠态纯化的理论方案，但是没有一个是能用现有技术实现的。潘建伟等人发现了利用现有技术在实验上是可行的量子纠缠态纯化的理论方案，原则上解决了在远距离量子通信中的根本问题。这项研究成果受到国际科学界的高度评价，被称为“远距离量子通信研究的一个飞跃”。
发展史
1993年，C.H.Bennett提出了量子通讯的概念;同年，6位来自不同国家的科学家，提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案：将某一个粒子的未知量子态传送到另一个地方，把另一个粒子制备到该量子态上，而原来的粒子仍停留在原处。其基本思想是：将原物的信息分成经典信息与量子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物质进行某种测量而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息；接收者在获得了这两种信息后，就可以制备出原物量子态的完全复制品。该过程中传送的仅仅是原物质的量子态，而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的粒子处于原物质的量子态上。在这个方案中，纠缠态的非定域性起着极其重要的作用。量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识和揭示自然界的神秘规律具有重要意义，而且能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，实现了原则上不可破译的量子保密通信。
1997年，在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地把一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验里传输的只是表达量子信息的“状态”，作为信息载体的光子本身并不被传输。
2012年，中国科学家潘建伟等人在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，为发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定技术基础。国际权威学术期刊《自然》杂志8月9日重点介绍了该成果。“在高损耗的地面成功传输100公里，意味着在低损耗的太空传输距离将可以达到1000公里以上，基本上解决量子通讯卫星的远距离信息传输问题。”研究组成员彭承志介绍说，量子通讯卫星核心技术的突破，也表明未来构建全球量子通信网络具备技术可行性。8月9日，国际权威学术期刊《自然》杂志重点介绍了这一成果，代表其获得了国际学术界的普遍认可。《自然》杂志称其“有望成为远距离量子通信的里程碑”、“通向全球化量子网络”，欧洲物理学会网站、美国《科学新闻》杂志等也进行了专题报道。[1]
2017年9月29日，世界首条量子保密通信干线——“京沪干线”正式开通。当日，结合“京沪干线”与“墨子号”的天地链路，中国科学家成功实现了洲际量子保密通信。这标志着中国在全球已构建出首个天地一体化广域量子通信网络雏形，为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络迈出了坚实的一步。“京沪干线”项目于2013年7月立项，于2017年8月底在合肥完成了全网技术验收。建成后的“京沪干线”，实现了连接北京、上海，贯穿济南和合肥全长2000余公里的量子通信骨干网络，并通过北京接入点实现与“墨子号”的连接，为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络迈出坚实的一步。[2]
研究突破
据《新科学家》杂志等媒体综合报道，一支意大利和奥地利科学家小组[3]宣布，他们首次识别出从地球上空1500公里处的人造卫星上反弹回地球的单批光子，实现了太空绝密传输量子信息的重大突破。这一突破表明在太空和地球之间可以构建安全的量子通道来传输信息，用于全球通信。此研究成果发表在《新物理学杂志》（New Journal of Physics）上。
意大利帕多瓦大学的保罗·维罗来斯和恺莎尔·巴伯利领导此研究小组，成功地利用意大利名为马泰拉（Matera）激光测距天文台的1.5米望远镜向地球上空1500公里处的日本阿吉沙（Ajisai）人造卫星发射出光子并让此卫星将这些光子反弹回到了原始出发地。这标志着无法偷听的量子编码通信可望通过人造卫星来实现。此消息将会大受全球通信公司和银行的欢迎。
据某些说法「在2007年6月，一个由奥地利、英国、德国研究人员组成的小组在量子通讯研究中通过创下了
量子通讯(4张)通信距离达144公里的最远纪录」，但事实是1997年奥地利蔡林格小组在室内首次完成了量子态隐形传输的原理性实验验证，2004年该小组利用多瑙河底光纤信道，成功地将量子态隐形传输距离提高到600米。最终在2012年利用西班牙加纳利群岛的良好环境在大气中传输143公里。才打破了中国此前先后于北京和青海湖创下的16公里与97公里大气内传输世界纪录。
而要达到更远的距离很难，因为大气容易干扰光子脆弱的量子状态。而巴伯利小组想出了解决办法，通过人造卫星来发送光子。由于大气随高度的增加而日趋稀薄，在卫星上旅行数千公里只相当于在地面上旅行8公里。
由于巨大的实用价值及技术的可行性已经得到证明，中国已在多个场合宣布将于2015年发射人类首颗量子通讯卫星。同时将与奥地利合作进行北京至维也纳的人类首次量子卫星通讯试验，并试图由此构建两地之间的量子通讯网络。
另一方面，早前为证实地面能观测到从轨道卫星上发送回来的光子，奥地利研究小组从意大利马泰拉（Matera）激光测距天文台的望远镜向阿吉沙（Ajisai）人造卫星发射出一束普通的激光。阿吉沙（Ajisai）人造卫星由318面镜片组成，从精确的镜片上反弹回来的单批光子成功地回到了此天文台。
参与此项研究的奥地利维也纳的量子光学和量子信息研究所著名量子物理学家安顿·宰林格（Anton Zeilinger）认为太空至地球的量子通信是一项可行技术。宰林格正在打造一个人造卫星，用于产生纠缠光子，接收信息并对信息编码，之后再将编码的信息反射回来，以建立全球量子通讯网络。
量子通讯是利用了光子等粒子的量子纠缠原理。量子通讯学告诉人们，在微观世界里，不论两个粒子间距离多远，一个粒子的变化都会影响另一个粒子的现象叫量子纠缠，这一现象被爱因斯坦称为“诡异的互动性”。科学家认为，这是一种“神奇的力量”，可成为具有超级计算能力的量子计算机和量子保密系统的基础。
量子通讯是经典信息论和量子力学相结合的一门新兴交叉学科,与成熟的通信技术相比，量子通讯具有巨大的优越性，具有保密性强、大容量、远距离传输等特点。量子通讯不仅在军事、国防等领域具有重要的作用，而且会极大地促进国民经济的发展。自1993年美国IBM的研究人员提出量子通信理论以来，美国国家科学基金会、国防高级研究计划局都对此项目进行了深入的研究，欧盟在1999年集中国际力量致力于量子通讯的研究，研究项目多达12个。日本邮政省把量子通讯作为21世纪的战略项目。
