1. 量子通信简介

      量子通信（Quantum Teleportation）是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子通讯是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，近来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，量子通信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。

      量子通信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，把另一个粒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。最近，潘建伟及其合作者在如何提纯高品质的量子纠缠态的研究中又取得了新突破。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目前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。最近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，原则上解决了目前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”。

1. 量子通信研究突破

      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。这一突破标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。此研究成果即将发表在《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。

　   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信研究中通过创下了通信距离达144公里的最远纪录。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。

　　为证实地面能观测到从轨道卫星上发送回来的光子，此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，以建立全球量子通信网络。

量子通信是利用了光子等粒子的量子纠缠原理。量子信息学告诉人们，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。

　    量子通信是经典信息论和量子力学相结合的一门新兴交叉学科，与目前成熟的通信技术相比，量子通信具有巨大的优越性，具有保密性强、大容量、远距离传输等特点。量子通信不仅在军事、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信的研究，研究项目多达12个。日本邮政省把量子通信作为21世纪的战略项目。

1. 量子通信在中国的研究情况

　    中国科技大学合肥微尺度物质科学国家实验室的潘建伟教授及其同事，利用冷原子量子存储技术在国际上首次实现了具有存储和读出功能的纠缠交换，建立了由300米光纤连接的两个冷原子系综之间的量子纠缠。这种冷原子系综之间的量子纠缠可以被读出并转化为光子纠缠以进行进一步的传输和量子操作。该实验成果完美地实现了长程量子通信中亟需的“量子中继器”，向未来广域量子通信网络的最终实现迈出了坚实的一步。

       2010年，中国科技大学和清华大学的研究人员完成了一项创举，他们的自由空间量子通信实验将通信距离从先前的数百米记录一步跨越到16公里。现在，中国科技大学上海研究院的研究人员再次创造了新纪录，他们将通信距离扩大到了97公里，横跨中国的一个湖泊。报告发表在预印本网站上。研究人员在海拔约4000米的青海刚察湖上完成了这次自由空间信道量子实验，他们不是在湖这边发射光子，然后让它在湖对岸重新出现，而是利用量子纠缠——即两个量子态互相影响的粒子——在新地点重新创造出相同的量子比特。他们在四个多小时内向97公里外远距传输了1100多个光子。将量子通信距离延长到100公里意味着可以从地面与卫星进行通信，全球范围的量子通信正在变成现实。

       量子信息因其传输高效和绝对安全等特点，被认为可能是下一代IT技术的支撑性研究，并成为全球物理学研究的前沿与焦点领域。基于我国近10年来在量子纠缠态、纠错、存储等核心领域的系列前沿性突破，中科院于2011年启动了空间科学战略性先导科技专项，力争在2015年左右发射全球首颗“量子通讯卫星”。

      中国科学技术大学教授潘建伟、彭承志、陈宇翱等人，与中科院上海技术物理研究所王建宇、光电技术研究所黄永梅等组成联合团队，于2011年10月在青海湖首次成功实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发。实验证明，无论是从地面指向卫星的上行量子隐形传态，还是卫星指向两个地面站的下行双通道量子纠缠分发均可行，为基于卫星的广域量子通信和大尺度量子力学原理检验奠定了技术基础。

      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能达到1000公里以上，基本上解决了量子通讯卫星的远距离信息传输问题。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。

2. 合肥量子通信网建成使用

      作为新一代通信技术，量子通信基于量子信息传输的高效和绝对安全性，成为近年来国际科研竞争中的焦点领域之一。合肥城域量子通信试验示范网于2010年7月启动建设，投入经费6000多万元。经过中国科学技术大学和安徽量子通信技术有限公司科研人员历时1年多的努力，项目建成后试运行，各项功能、指标均达到设计要求。该项目2012年3月29日通过安徽省科技厅组织的专家组验收，30日正式投入使用。

　　具有46个节点的量子通信网覆盖合肥市主城区，使用光纤约1700公里，通过6个接入交换和集控站，连接40组“量子电话”用户和16组“量子视频”用户。目前主要用户为对信息安全要求较高的政府机关、金融机构、医疗机构、军工企业及科研院所，如合肥市公安局、合肥市应急指挥中心、中国科技大学、合肥第三人民医院及部分银行网点等。

合肥量子通信网的建成使用，标志着我国继量子信息基础研究跻身全球一流水平后，在量子信息先期产业化竞争中也迈出了重要一步。目前，我国北京、济南、乌鲁木齐等城市的城域量子通信网也在建设之中，未来这些城市将通过量子卫星等方式联接，形成我国的广域量子通信体系。

3. 量子通信方面的最新新闻

      通信安全一直是通信领域最重要的问题之一，但有没有绝对安全的信息传递方式呢？无法被监控的量子通信网络为我们提供了一条可能途径。最近，由世界各国科学家组成的团队创造了新的量子数据传输记录，让构建全球量子网络成为了可能。

      近日，由世界各国研究人员组成的团队成功将一量子比特（quantum bit）从拉帕尔瓦（La Palma）传输到特纳利夫岛（Tenerife），创造了量子数据传输的距离之最：143千米，打破了之前由中国保持的97千米的记录。143千米这个数字十分地不寻常，因为它已经接近了近地轨道卫星与地面之间的距离。也就是说，如果量子数据的传输距离能够达到这个标准，那么从理论上说我们就可以应用近地轨道卫星建立起一套量子网络。

       量子通信并不是所谓“瞬间移动”，但是其概念也很相近。量子网络应用的原理是量子纠缠（quantum entanglement）。量子纠缠描述了这样一个现象：两个彼此处于量子纠缠微观粒子无论距离多远，即使一个在太阳系另一个在几十万光年外的未知星云，只要这两个粒子彼此处于量子纠缠，则通过改变一个粒子的量子状态，就可以使另一个粒子状态也发生改变。一个粒子可以传递有限的信息，而亿万个粒子联手，就形成了量子网络。之前该领域面临的最大问题是如何保持脆弱的量子粒子的完好性，甚至只要我们看它一眼（当然你什么也看不到），光子就有可能将其破坏。研究人员此番在拉帕尔瓦将一些纠缠态量子中的一个通过高能量激光成功发射到特纳利夫岛。这样一来，一旦位于拉帕尔瓦的纠缠态光子有了变化，特纳利夫岛上的纠缠态光子就会“立刻响应”，这种传递没有任何的延迟，响应速度甚至超过了光速，但这种传递本质上是量子状态下的传送，而非实际物质的传递。

       量子网络有何用途呢？从小的角度看，由量子理论我们可以知道，没有人可以对纠缠态光子进行“监控”，因此人们可以通过量子网络建立起一套无法被破译的安全密钥系统，相信这将受到各国政府的热烈欢迎。从长远角度看，量子网络可以构架出一个由量子计算机构成的因特网主干，从理论上来说，每台链接到量子网络的量子计算机和量子芯片都可以通过纠缠态光子“立即”与彼此建立连接。

      研究人员下一步的工作重点是发射一个能够收发量子的近地轨道卫星，这并不是件容易的事，所以我们可能还得等上几年（或者几十年）。不过这个领域的发展速度已经超乎了我们的想象。就在两年前，量子数据传输的距离记录还是中国团队创造的16千米，今年年初这个数据就被他们刷新至97千米，现在我们已经能够达到143千米了。

对于纠缠的解释：

      信息的交换在本质上没有任何物质被传输，那也无所谓超不超过光速了，没有意义；就好像我按动一个跷跷板，或者文艺一点说“天平”，一头按下去的同时，另一头会翘起来——这是必然的，而纠缠态的量子也是一个意思，假如跷跷板上翘为“1”，下沉为“0”，那么如果要传输一个数据为“010101”，那我只要将6个跷跷板在我这端依次排列为“101010”即可，数据的交换必然是同时发生的，而且在这里讨论跷跷板有多长，按下的速度有多快就是没有意义的了。

1. 量子通信难点

    量子通信技术遇到的难点：

（1） 选择适合的光源

（2） 量子通信通道的选择

（3） 单光子探测技术

（4） 量子通信中的量子噪声

好强大的说