量子通信技術發展現狀及應用前景分析

1. 量子信息的應用前景怎麼樣

量子信息被業界公認是對未來世界科學產生重大影響的革命性技術，中美等大國均投入資源參與競爭。近十幾年來，國內在量子通信領域不斷發展趕超，根據預測，國內量子通信短期市場規模在100-130億元左右，長期市場規模將超過千億。
當前，量子通信在金融、政務、國防、電子信息等領域有望大規模應用。據前瞻產業研究院《量子通信行業發展前景與投資分析報告》預計，到2021年，量子通信在政府服務領域應用佔比將達到30%;金融領域應用其次，佔比為22%;商業領域、國防軍事緊隨其後，佔比分別為20%、16%。
目前，量子通信處於產業化的初期，隨著產業的發展，對專業人才的需求會不斷提升，人才的競爭將會成為企業之間競爭的一個重要方面。

2. 中國量子通訊產業的現狀

量子通訊系統的基本部件包括量子態發生器、量子通道和量子測量裝置。按其所傳輸的信息是經典還是量子而分為兩類。前者主要用於量子密鑰的傳輸，後者則可用於量子隱形傳態和量子糾纏的分發。所謂隱形傳送指的是脫離實物的一種「完全」的信息傳送。從物理學角度，可以這樣來想像隱形傳送的過程：先提取原物的所有信息，然後將這些信息傳送到接收地點，接收者依據這些信息，選取與構成原物完全相同的基本單元，製造出原物完美的復製品。但是，量子力學的不確定性原理不允許精確地提取原物的全部信息，這個復製品不可能是完美的。因此長期以來，隱形傳送不過是一種幻想而已。

1993年，6位來自不同國家的科學家，提出了利用經典與量子相結合的方法實現量子隱形傳態的方案：將某個粒子的未知量子態傳送到另一個地方，把另一個子制備到該量子態上，而原來的粒子仍留在原處。其基本思想是：將原物的信息分成經典信息和量子信息兩部分，它們分別經由經典通道和量子通道傳送給接收者。經典信息是發送者對原物進行某種測量而獲得的，量子信息是發送者在測量中未提取的其餘信息；接收者在獲得這兩種信息後，就可以制備出原物量子態的完全復製品。該過程中傳送的僅僅是原物的量子態，而不是原物本身。發送者甚至可以對這個量子態一無所知，而接收者是將別的粒子處於原物的量子態上。

在這個方案中，糾纏態的非定域性起著至關重要的作用。量子力學是非定域的理論，這一點已被違背貝爾不等式的實驗結果所證實，因此，量子力學展現出許多反直觀的效應。在量子力學中能夠以這樣的方式制備兩個粒子態，在它們之間的關聯不能被經典地解釋，這樣的態稱為糾纏態，量子糾纏指的是兩個或多個量子系統之間的非定域非經典的關聯。量子隱形傳態不僅在物理學領域對人們認識與揭示自然界的神秘規律具有重要意義，而且可以用量子態作為信息載體，通過量子態的傳送完成大容量信息的傳輸，實現原則上不可破譯的量子保密通信。1997年，在奧地利留學的中國青年學者潘建偉與荷蘭學者波密斯特等人合作，首次實現了未知量子態的遠程傳輸。這是國際上首次在實驗上成功地將一個量子態從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實驗中傳輸的只是表達量子信息的「狀態」，作為信息載體的光子本身並不被傳輸。為了進行遠距離的量子態隱形傳輸，往往需要事先讓相距遙遠的兩地共同擁有最大量子糾纏態。但是，由於存在各種不可避免的環境雜訊，量子糾纏態的品質會隨著傳送距離的增加而變得越來越差。因此，如何提純高品質的量子糾纏態是量子通信研究中的重要課題。

國際上許多研究小組都在對這一課題進行研究，並提出了一系列量子糾纏態純化的理論方案，但是沒有一個是能用現有技術實現的。潘建偉等人發現了利用現有技術在實驗上是可行的量子糾纏態純化的理論方案，原則上解決了在遠距離量子通信中的根本問題。這項研究成果受到國際科學界的高度評價，被稱為「遠距離量子通信研究的一個飛躍」。

1993年，C.H.Bennett提出了量子通訊的概念;同年，6位來自不同國家的科學家，提出了利用經典與量子相結合的方法實現量子隱形傳送的方案：將某一個粒子的未知量子態傳送到另一個地方，把另一個粒子制備到該量子態上，而原來的粒子仍停留在原處。其基本思想是：將原物的信息分成經典信息與量子信息兩部分，它們分別經由經典通道和量子通道傳送給接收者。經典信息是發送者對原物質進行某種測量而獲得的，量子信息是發送者在測量中未提取的其餘信息；接收者在獲得了這兩種信息後，就可以制備出原物量子態的完全復製品。該過程中傳送的僅僅是原物質的量子態，而不是原物本身。發送者甚至可以對這個量子態一無所知，而接收者是將別的粒子處於原物質的量子態上。在這個方案中，糾纏態的非定域性起著極其重要的作用。量子隱形傳態不僅在物理學領域對人們認識和揭示自然界的神秘規律具有重要意義，而且能用量子態作為信息載體，通過量子態的傳送完成大容量信息的傳輸，實現了原則上不可破譯的量子保密通信。

1997年，在奧地利留學的中國青年學者潘建偉與荷蘭學者波密斯特等人合作，首次實現未知量子態的遠程傳輸。這是國際上首次在實驗上成功地把一個量子態從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實驗里傳輸的只是表達量子信息的「狀態」，作為信息載體的光子本身並不被傳輸。

2012年，中國科學家潘建偉等人在國際上首次成功實現百公里量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發，為發射全球首顆「量子通訊衛星」奠定技術基礎。國際權威學術期刊《自然》雜志8月9日重點介紹了該成果。「在高損耗的地面成功傳輸100公里，意味著在低損耗的太空傳輸距離將可以達到1000公里以上，基本上解決量子通訊衛星的遠距離信息傳輸問題。」研究組成員彭承志介紹說，量子通訊衛星核心技術的突破，也表明未來構建全球量子通信網路具備技術可行性。8月9日，國際權威學術期刊《自然》雜志重點介紹了這一成果，代表其獲得了國際學術界的普遍認可。《自然》雜志稱其「有望成為遠距離量子通信的里程碑」、「通向全球化量子網路」，歐洲物理學會網站、美國《科學新聞》雜志等也進行了專題報道。

據《新科學家》雜志等媒體綜合報道，一支義大利和奧地利科學家小組宣布，他們首次識別出從地球上空1500公里處的人造衛星上反彈回地球的單批光子，實現了太空絕密傳輸量子信息的重大突破。這一突破表明在太空和地球之間可以構建安全的量子通道來傳輸信息，用於全球通信。此研究成果發表在《新物理學雜志》（New Journal of Physics）上。

義大利帕多瓦大學的保羅·維羅來斯和愷莎爾·巴伯利領導此研究小組，成功地利用義大利名為馬泰拉（Matera）激光測距天文台的1.5米望遠鏡向地球上空1500公里處的日本阿吉沙（Ajisai）人造衛星發射出光子並讓此衛星將這些光子反彈回到了原始出發地。這標志著無法偷聽的量子編碼通信可望通過人造衛星來實現。此消息將會大受全球通信公司和銀行的歡迎。

據某些說法「在2007年6月，一個由奧地利、英國、德國研究人員組成的小組在量子通訊研究中通過創下了通信距離達144公里的最遠紀錄」，但事實是1997年奧地利蔡林格小組在室內首次完成了量子態隱形傳輸的原理性實驗驗證，2004年該小組利用多瑙河底光纖信道，成功地將量子態隱形傳輸距離提高到600米。最終在2012年利用西班牙迦納利群島的良好環境在大氣中傳輸143公里。才打破了中國此前先後於北京和青海湖創下的16公里與97公里大氣內傳輸世界紀錄。

而要達到更遠的距離很難，因為大氣容易干擾光子脆弱的量子狀態。而巴伯利小組想出了解決辦法，通過人造衛星來發送光子。由於大氣隨高度的增加而日趨稀薄，在衛星上旅行數千公里只相當於在地面上旅行8公里。

由於巨大的實用價值及技術的可行性已經得到證明，中國已在多個場合宣布將於2015年發射人類首顆量子通訊衛星。同時將與奧地利合作進行北京至維也納的人類首次量子衛星通訊試驗，並試圖由此構建兩地之間的量子通訊網路。

另一方面，早前為證實地面能觀測到從軌道衛星上發送回來的光子，奧地利研究小組從義大利馬泰拉（Matera）激光測距天文台的望遠鏡向阿吉沙（Ajisai）人造衛星發射出一束普通的激光。阿吉沙（Ajisai）人造衛星由318面鏡片組成，從精確的鏡片上反彈回來的單批光子成功地回到了此天文台。

參與此項研究的奧地利維也納的量子光學和量子信息研究所著名量子物理學家安頓·宰林格（Anton Zeilinger）認為太空至地球的量子通信是一項可行技術。宰林格正在打造一個人造衛星，用於產生糾纏光子，接收信息並對信息編碼，之後再將編碼的信息反射回來，以建立全球量子通訊網路。

量子通訊是利用了光子等粒子的量子糾纏原理。量子通訊學告訴人們，在微觀世界裡，不論兩個粒子間距離多遠，一個粒子的變化都會影響另一個粒子的現象叫量子糾纏，這一現象被愛因斯坦稱為「詭異的互動性」。科學家認為，這是一種「神奇的力量」，可成為具有超級計算能力的量子計算機和量子保密系統的基礎。

量子通訊是經典資訊理論和量子力學相結合的一門新興交叉學科,與成熟的通信技術相比，量子通訊具有巨大的優越性，具有保密性強、大容量、遠距離傳輸等特點。量子通訊不僅在軍事、國防等領域具有重要的作用，而且會極大地促進國民經濟的發展。自1993年美國IBM的研究人員提出量子通信理論以來，美國國家科學基金會、國防高級研究計劃局都對此項目進行了深入的研究，歐盟在1999年集中國際力量致力於量子通訊的研究，研究項目多達12個。日本郵政省把量子通訊作為21世紀的戰略項目。

中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室的潘建偉教授及其同事，利用冷原子量子存儲技術在國際上首次實現了具有存儲和讀出功能的糾纏交換，建立了由300米光纖連接的兩個冷原子系綜之間的量子糾纏。這種冷原子系綜之間的量子糾纏可以被讀出並轉化為光子糾纏以進行進一步的傳輸和量子操作。該實驗成果完美地實現了長程量子通信中亟需的「量子中繼器」，向未來廣域量子通信網路的最終實現邁出了堅實的一步。

類比於傳統的電子通訊中為了補償通訊號衰減而進行整形和放大的電子中繼器，奧地利科學家在理論上提出，可以通過量子存儲技術和量子糾纏交換和純化技術的結合來實現量子中繼器，從而最終實現大規模的長程量子通訊。量子存儲的實驗實現卻一直存在著很大的困難。為了解決量子存儲問題，國際上人們做了大量的研究工作。比如段路明及其奧地利、美國的合作者就曾於2001年提出了基於原子系綜的另一類量子中繼器方案。由於這一方案具有易於實驗實現的優點，受到了學術界的廣泛重視。然而，隨後的研究表明，由於這一類量子中繼器方案存在著諸如糾纏態對信道長度抖動過於敏感、誤碼率隨信道長度增長過快等嚴重問題，無法被用於實際的長程量子通訊中。

為了解決上述困難，潘建偉、陳增兵和趙博等在理論上提出了具有存儲功能、並且對信道長度抖動不敏感、誤碼率低的高效率量子中繼器方案。同時，潘建偉研究小組與德國、奧地利的科學家經過多年的合作研究，在逐步實現了光子—原子糾纏、光子比特到原子比特的量子隱形傳態等重要階段性成果的基礎上，最終實驗實現了完整的量子中繼器基本單元。由於量子中繼器實驗實現在量子信息研究中的重要意義。

作為新一代通信技術，量子通信基於量子信息傳輸的高效和絕對安全性，國際科研競爭中的焦點領域之一。合肥城域量子通信試驗示範網於2010年7月啟動建設，投入經費6000多萬元。經過中國科學技術大學和安徽量子通信技術有限公司科研人員歷時1年多的努力，項目建成後試運行，各項功能、指標均達到設計要求。該項目2012年3月29日通過安徽省科技廳組織的專家組驗收，30日正式投入使用。

具有46個節點的量子通信網覆蓋合肥市主城區，使用光纖約1700公里，通過6個接入交換和集控站，連接40組「量子電話」用戶和16組「量子視頻」用戶。主要用戶為對信息安全要求較高的政府機關、金融機構、醫療機構、軍工企業及科研院所，如合肥市公安局、合肥市應急指揮中心、中國科技大學、合肥第三人民醫院及部分銀行網點等。

合肥量子通信網的建成使用，標志著我國繼量子信息基礎研究躋身全球一流水平後，在量子信息先期產業化競爭中也邁出了重要一步。我國北京、濟南、烏魯木齊等城市的城域量子通信網也在建設之中，未來這些城市將通過量子衛星等方式聯接，形成我國的廣域量子通信體系。

12月19日，中國科學院在北京召開了科技服務國民經濟主戰場座談會，中科院院長白春禮、上海市市長楊雄、山東省省長郭樹清、陝西省省長婁勤儉，以及行業企業代表和專家出席了會議。會議圍繞進一步貫徹落實「率先行動」計劃，進一步深化院省合作、院企合作，以科技創新服務經濟社會發展展開深入的座談交流。

會議最後舉行了系列合作協議簽約儀式，其中由中國科學院國有資產經營有限公司（國科控股）牽頭，聯合中國科學技術大學、科大國盾量子技術股份有限公司、阿里巴巴（中國）有限公司、中國鐵路網路有限公司、中興通訊股份有限公司、北方信息技術研究所等作為首批發起單位代表，簽署戰略合作框架協議，共同發起組建「中國量子通信產業聯盟」。

該聯盟將廣泛組織相關行業的代表性企業力量，旨在通過整合在技術研發、核心製造、基礎設施、應用服務、大數據、互聯網以及科技金融等領域的優勢資源，促進創新鏈、產業鏈與資本鏈的聯動，做好產業頂層設計與戰略規劃，推動標准規范的建立健全，發揮產業發展合力，構築可持續發展的量子通信產業生態系統，打造世界領先的量子通信產業。

近年來，隨著以科大國盾量子系列產品為代表的量子通信基礎設備日臻成熟，一批面向應用平台開發並致力於探索商業化推廣量子安全通信服務的企業不斷涌現，神州量子、蘇州科達、中經量通、九州量子、基點量子等就是這樣的開拓者。

中國是世界上率先把量子通信產業化的國家，據了解，量子通信不僅可以用於軍事、國防等領域的國家級保密通信，還可以用於涉及秘密數據、企業機密、包括政府金融、電信、保險、證券、銀行、工商、財政等領域和部門，而如果技術又正好成熟，未來應用市場前景將異常廣闊。

「在我國量子通信技術取得突破，量子通信產業爆發的關鍵時期，協作合作將創造更大價值。 」這是在 10月 18日舉行的 2016首屆量子信息產業發展高峰論壇上，與會的政府人士、專家和企業界代表傳遞的信息。

論壇中，工信部信息通信發展司司長聞庫表示，將大力支持應用試點和推廣，推動量子信息技術在網路信息安全、電子政務、金融、電力等重點領域的試點和應用，以市場應用推動量子通信產業的發展。通過國家轉向和產業資金，社會資本多渠道的支持和引導，著力促進技術研發設備生產網路應用等產業鏈上下游企業的協同不斷推進量子信息技術和產業發展。

鄭韶輝認為，科學家要展開技術攻關，市場也要跟得上，運用市場化的機制，可以展開一些並購。如果用三年的時間，使設備成本下降到現在的十分之一，就能為大規模地應用奠定基礎。發展的三個階段都需要多家公司的協作和參與，最終將量子通信產品普及到每個消費者手中。

3. 量子通信有哪些應用價值，其發展前景如何

經典通信較光量子通信相比，其安全性和高效性都無法與之相提並論。安全性-量子通信絕不會「泄密」，其一體現在量子加密的密鑰是隨機的，即使被竊取者截獲，也無法得到正確的密鑰，因此無法破解信息；其二，分別在通信雙方手中具有糾纏態的2個粒子，其中一個粒子的量子態發生變化，另外一方的量子態就會隨之立刻變化，並且根據量子理論，宏觀的任何觀察和干擾，都會立刻改變數子態，引起其坍塌，因此竊取者由於干擾而得到的信息已經破壞，並非原有信息。高效，被傳輸的未知量子態在被測量之前會處於糾纏態，即同時代表多個狀態，例如一個量子態可以同時表示0和1兩個數字， 7個這樣的量子態就可以同時表示128個狀態或128個數字：0~127。光量子通信的這樣一次傳輸，就相當於經典通信方式的128次。可以想像如果傳輸帶寬是64位或者更高，那麼效率之差將是驚人的2，以及更高。量子通信具有傳統通信方式所不具備的絕對安全特性，不但在國家安全、金融等信息安全領域有著重大的應用價值和前景，而且逐漸走進人們的日常生活。為了讓量子通信從理論走到現實,從上世紀90年代開始,國內外科學家做了大量的研究工作。自1993年美國IBM的研究人員提出量子通信理論以來，美國國家科學基金會和國防高級研究計劃局都對此項目進行了深入的研究，歐盟在1999年集中國際力量致力於量子通信的研究，研究項目多達12個，日本郵政省把量子通信作為21世紀的戰略項目。我國從上世紀80年代開始從事量子光學領域的研究，近幾年來，中國科學技術大學的量子研究小組在量子通信方面取得了突出的成績。

4. 量子信息科學被列入本科新專業，這個專業未來前景怎麼樣

即使自認為天賦極高者，其實應該避開量子物理相關研究方向。信息、控制、生命等領域都是很好的方向。您的孩子喜歡物理，選擇量子力學是最好的，是最辛苦的，越是艱難越向前，也是快樂的。選了冷門專業的，還想畢業後沿著冷門專業吃飯的，考研是最好的選擇，多讀幾年沒關系。

這才是真正的動力，你的出發點就錯了，假如你以賺錢為目的的話，讀這個是不會有出息的而且量子力學現在還不完備，這給下一代科學工作者留下了一個大彩蛋！然而科研非常吃學歷，985 211本科起步，再讀研究生，碩博都得讀。

5. 目前情況來看，量子通信有哪些市場前景

就目前看，量子通信主要有以下市場應用前景：一是城域網受制於經典通信的限制，目前量子通信的實驗只是在部分城市，一定的工作半徑內試建的目的，將來量子通信可能最先在城域內進行組網建設。二是在廣域網中進行通信安全級別設置，在最高級別中運用量子通信，更加安全。三是專網通信對信息安全的要求很高，但是基於現階段的標准並不能做到。如果在量子通信輔助信道可達的情況下，運用量子通信來加強專網通信的安全性將是一個可選之路。四是在對空、對天、對潛通信在應用。對空、對天、對潛的通信成本高、效率低。引入量子通信以後，可以利用其無通信介質限制、高效的特點進行信息互通，從而解決現在所面臨的難題。