量子通信概要
量子通信是量子科學與資訊科學結合產生的重要交叉學科。 與經典通信方式相比， 量子通信以量子不確定性原理、量子態不可克隆原理、量子態測量塌縮等為基礎， 實現資訊的傳輸。 量子通信包括量子金鑰分發、量子安全直接通信、量子秘密共用、量子密集編碼和量子隱形傳態等主要模式。 而量子金鑰分發、量子安全直接通信和量子秘密共用是以保護資訊（信號）的安全為主要目的， 又叫做量子保密通信， 它是量子通信最主要的分支。
量子金鑰分發及量子通信研究小史
量子金鑰分發是指在通信雙方利用量子通道協商安全的金鑰（更合適的名稱應該是量子金鑰協商， 在經典密碼學中金鑰分發是將已經確定好的金鑰分發給其他用戶）。 要完成資訊的傳輸， 需要用協商得到的金鑰將資訊加密成密文， 再通過經典通信將密文傳輸給接收方。
1994年以後， 量子計算取得重大的突破， Shor提出了大數分解演算法， Grover提出了量子搜索演算法， 充分顯示出量子計算的強大計算功能，
量子安全直接通信
量子安全直接通信是一種在量子通道中直接傳遞秘密資訊的技術。 它從根本上改變了保密通信的架構。 保密通信架構中一般包含兩個通道，
量子隱形傳態與量子秘密共用
量子隱形傳態是指通過通信雙方共用的糾纏光子對，將發送方所持有的未知量子態在接收方重現的技術，即實現了不需要傳遞實物粒子而將粒子的狀態傳送給遠方接受者。1993年，Bennett等六人提出了量子隱形傳態的首個理論方案，該方案由Zeilinger教授、潘建偉院士等在1997年率先完成實驗驗證。當前，量子隱形傳態的技術研究主要集中在多光子糾纏的製備以及分發距離的提升上。重要的成果包括，2012年9月，奧地利等多國研究員實現了長達143公里的量子隱形傳輸；2015年6月，我國潘建偉院士團隊首次在實驗上實現了多自由度量子隱形傳態，標誌著量子隱形傳態里程碑式的突破。量子隱形傳態在分散式量子計算上有重要的應用。
量子秘密共用是Hillery等三位科學家在1999年提出的，將一個金鑰在兩個或者多個用戶中共用。量子密集編碼是由Bennett和Wiesner在1992年提出的，利用量子糾纏可以實現通過傳輸一個粒子而傳輸兩個粒子資訊的密集編碼功能。
清華大學參與的相關研究
2000 年龍桂魯和博士生劉曉曙提出了國際上首個量子安全直接通信方案， 2003年龍桂魯和博士生的鄧富國、劉曉曙提出了兩步量子安全直接通信方案，2004年龍桂魯和鄧富國提出了基於單光子的DL04量子安全直接通信方案。近年來，量子安全直接通信得到了快速的發展，受到廣泛的重視。2016年龍桂魯與山西大學肖連團教授合作，提出頻率編碼的單光子量子直接通信方案，並在實驗上進行了原理驗證，實現了雜訊環境下的量子直接通信。2017年中國科大郭光燦院士、史保森教授團隊和南京郵電大學盛宇波教授團隊合作，利用量子存儲驗證了龍桂魯等提出的國際首個量子安全直接通信方案，該實驗被美國物理學會等眾多科學媒體網站點評和報導，受到美國情報界的關注。2017年清華大學張巍及其博士生朱峰、黃翊東教授與南京郵電大學盛宇波教授聯合實驗組近日首次在500米光纖中實現了量子安全直接通信的兩步方案。《麻省理工技術評論》評價這一量子突破標誌著新一代完美保密通信。量子安全直接通信走向實用化邁出了關鍵性一步。
技術難點
經過三十多年的努力，量子通信得到了快速發展，但仍存在以下技術難點亟待解決。一是單光子態的製備、探測技術。現有實驗系統多採用相干態鐳射弱脈衝替代理想單光子源，其發出的脈衝很多是沒有光子的空脈衝，效率低下。對於單光子的探測，傳統半導體單光子探測器探測效率低、暗計數高，超導探測器的探測效率高，但需要低溫裝置，成本高。需要研製高效率、高速率、低雜訊的低成本的單光子探測器。二是速率、抗干擾性能有局限性。量子通信技術在現有條件下，遠比不上經典通信系統在通信速率、抗干擾等方面的性能。光纖量子金鑰分發系統安全碼率在50 km傳輸距離下可達1 Mbps。傳輸最遠距離是400 km。未來量子通信技術要解決的重要技術問題便是提升傳輸速率和增加傳輸距離。三是光子損耗及量子退相干問題。在量子通信過程中，應該儘量減小光子損耗，保持量子特性不被破壞，減少量子退相干效應。四是量子存儲。這是增加傳輸距離的關鍵器件，要構建大信息量、長距離的量子通信網路，須採用量子存儲技術克服單光子信號在傳輸通道中的指數衰減問題。科學技術的進步並非是一蹴而就，這些問題終將會隨著技術的發展得到解決。
相關應用現況
安徽蕪湖量子政務網、合肥城域量子通信試驗示範網路、濟南量子通信試驗網的建成標誌著大範圍的城域量子通信網路技術的開始。國家發改委籌建的用於量子通信研究的“京滬幹線”專案已經完成，“京滬幹線”總長2000余公里，從北京出發，經過濟南、合肥，到達上海。利用這一廣域光纖量子通信網路，可以構建可信的、可擴展、軍民融合的廣域光纖量子通信網路，建成大尺度量子通信技術驗證、應用研究和示範平臺。隨著量子通信技術的應用，這一領域也面臨著新的挑戰。首先，需要制定相關行業標準，將目前的技術進行專利化和標準化，規範行業發展，防止不利因素破壞行業氛圍。如近來各種公司、產品加上量子概念在資本市場套取好處，科普定義不嚴謹，以及媒體的大力渲染等現象，使得量子物理和量子通信在應用方面遭到了誤解和質疑。其次，行業發展應注重量子通信領域人才培養和就業導向。習總書記指出：“創新的事業呼喚創新的人才，注重培養一線創新人才和青年科技人才”，推動量子通信的應用也應以人才建設為核心。
小結
量子通信作為未來保障通信安全的關鍵技術之一，已經被各國廣泛關注並大力發展，這一領域是我國在高新技術研究與應用領域與國際發展保持同步並且有望實現彎道超越、引領未來的突破口。今後，在工程技術、產業標準等方面取得進展和保障的前提下，量子通信在國家資訊安全領域中將發揮重要作用。
作者簡介:龍桂魯，清華大學物理系教授，英國和美國物理學會會士，國家傑出青年基金獲得者。1985年和1987年分別獲得清華大學理學碩士、博士學位。1987年起在清華大學任教至今。發表論文200余篇，穀歌學術引用超過14000次，獲國家自然科學二等獎、三等獎，教育部自然科學一等獎、二等獎等。現擔任亞太物理學會聯合會理事長。
龍桂魯課題組在2000年提出國際上第一個量子直接通信方案，並相繼提出兩步方案等典型量子直接通信方案，為量子直接通信做出重要貢獻。
但是由於各種原因，金鑰也會丟失，歷史上就有這樣慘痛的教訓，蘇聯在中芬戰爭中將密碼本丟失，造成其在西方的情報系統的潰敗就是一個典型案例。利用量子安全直接通信可在原理上避免這樣問題的發生，因為量子直接通信沒有金鑰和密文，沒有金鑰丟失問題，同時竊聽者也得不到密文。
量子隱形傳態與量子秘密共用
量子隱形傳態是指通過通信雙方共用的糾纏光子對，將發送方所持有的未知量子態在接收方重現的技術，即實現了不需要傳遞實物粒子而將粒子的狀態傳送給遠方接受者。1993年，Bennett等六人提出了量子隱形傳態的首個理論方案，該方案由Zeilinger教授、潘建偉院士等在1997年率先完成實驗驗證。當前，量子隱形傳態的技術研究主要集中在多光子糾纏的製備以及分發距離的提升上。重要的成果包括，2012年9月，奧地利等多國研究員實現了長達143公里的量子隱形傳輸；2015年6月，我國潘建偉院士團隊首次在實驗上實現了多自由度量子隱形傳態，標誌著量子隱形傳態里程碑式的突破。量子隱形傳態在分散式量子計算上有重要的應用。
量子秘密共用是Hillery等三位科學家在1999年提出的，將一個金鑰在兩個或者多個用戶中共用。量子密集編碼是由Bennett和Wiesner在1992年提出的，利用量子糾纏可以實現通過傳輸一個粒子而傳輸兩個粒子資訊的密集編碼功能。
清華大學參與的相關研究
2000 年龍桂魯和博士生劉曉曙提出了國際上首個量子安全直接通信方案， 2003年龍桂魯和博士生的鄧富國、劉曉曙提出了兩步量子安全直接通信方案，2004年龍桂魯和鄧富國提出了基於單光子的DL04量子安全直接通信方案。近年來，量子安全直接通信得到了快速的發展，受到廣泛的重視。2016年龍桂魯與山西大學肖連團教授合作，提出頻率編碼的單光子量子直接通信方案，並在實驗上進行了原理驗證，實現了雜訊環境下的量子直接通信。2017年中國科大郭光燦院士、史保森教授團隊和南京郵電大學盛宇波教授團隊合作，利用量子存儲驗證了龍桂魯等提出的國際首個量子安全直接通信方案，該實驗被美國物理學會等眾多科學媒體網站點評和報導，受到美國情報界的關注。2017年清華大學張巍及其博士生朱峰、黃翊東教授與南京郵電大學盛宇波教授聯合實驗組近日首次在500米光纖中實現了量子安全直接通信的兩步方案。《麻省理工技術評論》評價這一量子突破標誌著新一代完美保密通信。量子安全直接通信走向實用化邁出了關鍵性一步。
技術難點
經過三十多年的努力，量子通信得到了快速發展，但仍存在以下技術難點亟待解決。一是單光子態的製備、探測技術。現有實驗系統多採用相干態鐳射弱脈衝替代理想單光子源，其發出的脈衝很多是沒有光子的空脈衝，效率低下。對於單光子的探測，傳統半導體單光子探測器探測效率低、暗計數高，超導探測器的探測效率高，但需要低溫裝置，成本高。需要研製高效率、高速率、低雜訊的低成本的單光子探測器。二是速率、抗干擾性能有局限性。量子通信技術在現有條件下，遠比不上經典通信系統在通信速率、抗干擾等方面的性能。光纖量子金鑰分發系統安全碼率在50 km傳輸距離下可達1 Mbps。傳輸最遠距離是400 km。未來量子通信技術要解決的重要技術問題便是提升傳輸速率和增加傳輸距離。三是光子損耗及量子退相干問題。在量子通信過程中，應該儘量減小光子損耗，保持量子特性不被破壞，減少量子退相干效應。四是量子存儲。這是增加傳輸距離的關鍵器件，要構建大信息量、長距離的量子通信網路，須採用量子存儲技術克服單光子信號在傳輸通道中的指數衰減問題。科學技術的進步並非是一蹴而就，這些問題終將會隨著技術的發展得到解決。
相關應用現況
安徽蕪湖量子政務網、合肥城域量子通信試驗示範網路、濟南量子通信試驗網的建成標誌著大範圍的城域量子通信網路技術的開始。國家發改委籌建的用於量子通信研究的“京滬幹線”專案已經完成，“京滬幹線”總長2000余公里，從北京出發，經過濟南、合肥，到達上海。利用這一廣域光纖量子通信網路，可以構建可信的、可擴展、軍民融合的廣域光纖量子通信網路，建成大尺度量子通信技術驗證、應用研究和示範平臺。隨著量子通信技術的應用，這一領域也面臨著新的挑戰。首先，需要制定相關行業標準，將目前的技術進行專利化和標準化，規範行業發展，防止不利因素破壞行業氛圍。如近來各種公司、產品加上量子概念在資本市場套取好處，科普定義不嚴謹，以及媒體的大力渲染等現象，使得量子物理和量子通信在應用方面遭到了誤解和質疑。其次，行業發展應注重量子通信領域人才培養和就業導向。習總書記指出：“創新的事業呼喚創新的人才，注重培養一線創新人才和青年科技人才”，推動量子通信的應用也應以人才建設為核心。
小結
量子通信作為未來保障通信安全的關鍵技術之一，已經被各國廣泛關注並大力發展，這一領域是我國在高新技術研究與應用領域與國際發展保持同步並且有望實現彎道超越、引領未來的突破口。今後，在工程技術、產業標準等方面取得進展和保障的前提下，量子通信在國家資訊安全領域中將發揮重要作用。
作者簡介:龍桂魯，清華大學物理系教授，英國和美國物理學會會士，國家傑出青年基金獲得者。1985年和1987年分別獲得清華大學理學碩士、博士學位。1987年起在清華大學任教至今。發表論文200余篇，穀歌學術引用超過14000次，獲國家自然科學二等獎、三等獎，教育部自然科學一等獎、二等獎等。現擔任亞太物理學會聯合會理事長。
龍桂魯課題組在2000年提出國際上第一個量子直接通信方案，並相繼提出兩步方案等典型量子直接通信方案，為量子直接通信做出重要貢獻。