量子通信的背景
隨著計算機和網際網路的發展，信息技術正深刻地改變著人們的生活方式。而斯諾登曝光的包括＂稜鏡＂項目在內的美國政府多個秘密情報監視項目，也引發了人們對網際網路時代信息安全的普遍擔憂。信息安全己經成為全世界範圍內的重要議題，其中密碼技術是核必。近代經典密碼技術主要分為私鑰密碼體制（又稱對稱密碼體制）和公鑰密碼體制（又稱非對稱密碼體制）兩種。由於私鑰密碼體制密鑰分發的安全性問題一直沒有得到有效地解決，存在著安全隱患，這使得基於複雜數學問題難以求解來確保信息安全性的公鑰密碼體制獲得了蓬勃發展。
目前使用最廣泛的公鑰密碼體制是RSA 體制，其安全性是基於＂大數因子分解＂的計算複雜性。理論上，如果要對一個300 位的阿拉伯數字進行因子分解，使用萬億次的經典計算機需要耗時約 150000 年。而在未來隨著量子計算技術的發展，根據理論採用 Shor 量子算法，使用萬化次的量子計算機耗時僅１秒，這也將導致R SA 公鑰密碼體制在量子計算機的超快計算能為下不堪一擊。
(詳細介紹見量子研究網站：http://quantum-study.com/article/859/20.html)
圖：經典通道與量子通道
迄今為止，經典加密技術大多是基於特定數學問題的計算複雜性，在理論上都不能保證絕對安全。而基於＂量子不可分割＂和＂量子不可克隆定理＂的量子力學基本原理，量子密碼技術為我們提供了一種全新的密碼解決方案。
1984年，IBM 公司的 Bennett 和蒙特婁大學的 Brassard 提出了第一個量子密鑰分發（Quantum Key Distribution, QKD）方案，也就是BB84 協議。BB84 協議是迄今為止應用最廣泛的 QKD 協議，它解決了密鑰的安全分發問題，通過將信息編碼在單個光子的偏振態（相位態）上，避免了信息被竊聽的可能性。結合 1918 年 Vemam 發明的一次一密（ One Time Pad, OTP）算法，可以保證加密內容的不可破譯性，從理論上實現絕對安全的保密通信。而在此基礎上發展起來的，一種信息編碼、信號傳輸巧探測等過程基於量子態的通信方式也彼稱為量子通信。
圖：量子密鑰分發
量子通信是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式，是迄今為止唯一被嚴格數學證明的絕對安全，其核也就是通過量子密鑰分發，實現相距遙遠的通信雙方共享絕對安全的魚子密鑰。所以，量子密鑰分發的發展史幾乎也就是裡子通信的發展史。魚子密鑰分發需要將信息編碼在單個光子的量子態上，但是在實際的 QKD 實驗中，由於理想的單光子源技術尚不成熟，通常使用弱相干光源作為替代，這也導致呈子密鑰分發存在受到光子數分離（Photon Number Splitting, PNS）攻擊的可能性。針對該問題，美國西北大學的 Hwang於2003 年提出了後來被廣泛使用的誘騙態思想。隨後在 2005 年，清華大學的王向斌教授和多倫多大學的 Lo 等人分別獨立提出了可實用化的誘騙態方案，大大提升了基於弱相干光源的量子密鑰分發的理論安全傳輸距離。隨著BB84協議和誘騙態理論的提出，量子通信得到了飛速發展並逐步邁入實用化的階段。其基於量子力學基本原理的絕對安全性，使得科學家們一直致力於全球化量子保密網絡的研究。
光纖量子遠信的進展
在己經較為成熟的經典光纖通信技術的支持下，基於光纖的量子通信發展尤為巧猛。
1993年，日內瓦大學 Gisin 小組的Muller 等人首次完成了基於偏振編碼的光纖量子密鑰分發的實驗驗化，傳輸距離ｌkｍ，隨後在1995 年將這個距離提髙到了23 km。2004 年，劍橋大學的Gobby 等人將光纖量子密鑰分發的傳輸距離刷新到122 km。然而截止到 2005 年，由於未考慮針對弱相干光源的 PNS 攻擊問題，早期的這些實驗都存在著安全漏洞。誘騙態理論提出後，在2007 年，中國科學技術大學潘建偉小組的彭承志等人和美國 Los Alamos 國家實驗室Hughes 小組的 Rosenberg 等人分別完成了超過100 km 光纖傳輸距離的誘騙態量子密鑰分發實驗。2010 年，潘建偉小組的劉洋等人實現了200 km 的光纖量子密鑰分發實驗。2015年，Gisin 小組的 Korzh等人將傳輸距離刷新到 307 km，這是目前光纖信道的最大傳輸距離。
圖：量子保密通信京滬幹線
在另外一方面，隨著光纖量子通信技術的成巧，實用化的光纖量子通信網絡也逐漸發展起來，包括美國的 DARPA量子通信網絡、歐洲的 SECOQC 量子通信網絡、瑞士的 SwissQuantum 量子通信網絡和東京的 Tokyo量子通信網絡等等。而中國科學技術大學的潘建偉小組也分別在北京、濟南和合肥建立了實用的城域量子通信實驗網，結合目前正在建設中的量子通信＂京滬幹線＂，將在未來連接北京、濟南、合肥和上海，實現千公裡級商可信、可擴展的廣域光纖童子通信。
自由空間量子通信的進展
在光纖信道中光子的傳輸存在著固有損耗，在1550 nm 波段這個損耗的典型值為0.2 dB/km，同時由於光纖的雙折射效應，長距離傳輸後光子的相干性變得很差，因此光纖量子通信的通信距寓也逐漸到達了瓶頸。相對於光纖信道，光子在自由空間傳輸過程中的衰減更小，而且大氣中幾乎不存在雙折射效應，這也使得基於自由空間的量子通信近些年發展迅速。
1989 年，Bennett 等人首次在桌面平臺上完成了量子巧鑰分發的實驗驗證，通信距離為32 cm。
1998 年，Hughes 小組完成了傳輸距離1 kｍ的自由空間量子巧鑰分發實驗，並在２００２年實現了 10 km的白天自由空間量子密鑰分發實驗.
2003 年，維也納大學 Zeilinger 小組的 Aspelmeyer 等人首次完成了 600 m 自由空間的單向糾纏光子傳輸。
2005 年，潘建偉小組在合肥實現了13 km 的雙向糾纏光子分發，在國際上首次驗證了糾纏光子穿越等效大氣厚度的可行性。
2006 年，Weinfurther小組的 Weier 等人完成了對基於糾纏的量子密鑰分發的實驗驗證。
2007 年，以 Zeilinger 為首的歐洲聯合實驗室實現了144 km 的自由空間糾纏光子單向傳輸實驗和誘騙態量子密鑰分發實驗，這是迄今為止自由空間信道的景大傳輸距離。隨後在2009年，該團隊驗證了經歷144 km 大氣損耗自由空間信道的糾纏商保真傳輸。
2012 年，潘建偉小組在靑海湖實現了 101 km 的自由空間量子糾纏分發實驗。
圖：青海湖湖心島的百公裡級量子糾纏分發實驗
2013 年，Weinfurther小組完成了基於飛機運動平臺的20 km 自由空間量子密鑰分發實驗。同年，潘建偉小組在青海湖完成了關於屋地量子密鑰分發的全方位論證實驗，為星地ａ子通信和全球化魚子保密網絡鋪平了道路。
2018 年1月，潘建偉教授及其同事彭承志等組成的研究團隊，聯合中國科學院上海技術物理研究所王建宇研究組、國家天文臺等，與奧地利科學院AntonZeilinger研究組合作，利用「墨子號」量子科學實驗衛星，在中國和奧地利之間首次實現距離達7600公裡的洲際量子密鑰分發，並利用共享密鑰實現加密數據傳輸和視頻通信。該成果標誌著「墨子號」已具備實現洲際量子保密通信的能力，為未來構建全球化量子通信網絡奠定了堅實基礎。
圖：洲際量子保密通信網絡示意圖
參考文獻：
1. C. H. Bennett, G. Brassard, Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing, in Proc. Int. Conf. Comput. Syst. Signal Process, 1984,175~179
2. Makarov V, Anisimov A, Skaar J. Effects of detector efficiency mismatch on security of quantum cryptosystems. Phys. Rev. A, 2006, 74(2):022313.
3. C. H. Bennett, G. Brassard, C.Crepeau, et al. Teleporting an Unkown quantum state via dual classic and EPR channels. Phys. Rev. Lett. 70,1895 (1993)
4. M. A. Nielsen and I. L. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information. Cambridge University Press (2000).
5. 李楊，「自由空間保密光通信關鍵技術研究」，中國科技大學博士學位論文（2016）.
(詳細介紹見量子研究網站：http://quantum-study.com/article/859/20.html)