1、量子理论的建立
1905年,Einstein引入光量子概念,成功解释了光电效应,并因此获得1921年度诺贝尔物理学奖。1913年,Bohr在卢瑟福原子模型基础上建立了原子的量子理论。1923年,发过物理学家de Broglie提出物质波的概念。1925年,德国物理学家Heisenberg建立了量子理论的第一种数学描述——矩阵力学。1926年,薛定谔建立了描述量子波形特性的偏微分方程式,即著名的薛定谔方程,给出了量子理论的第二种描述——波动力学。1927年,在意大利矩形的国际物理学讨论会上,Bohr作了关于量子力学的报告,被看作是量子力学的正式建立仪式。
2、量子通信的提出
1984年,来自IBM研究组的Bennett与加拿大蒙特立尔大学的Brassard一起提出了第一个实用性的量子密码通信协议—BB84协议。该协议实际上是一个通过量子信道产生和传送密钥的方案。量子信道的载体是单个光子,可以用其偏振状态(极化方向)、相位或者频率等物理量来携带量子密钥信息。由于量子信道的非理想化,还需要采用经典信道来配合进行量子态测量方法的协商和码序列的验证。假定窃听者在不被察觉的情况下无法窃听量子信道的信息,然而能够在不篡改数据的前提下窃听经典信道的信息,此时可以证明密钥传输的安全性。利用量子密钥对通信信息进行逐比特加密后在经典信道上传输,理论证明可以达成无条件安全通信(也称之为绝对安全通信)。1991年,牛津大学的Ekert提出了E91协议。第二年,Bennett提出用两个非正交态实现量子密码通信——B92协议。
3、发展历程
从 1993 年到 2005 年这个阶段,实验技术发展迅猛。1995 年,中国科学院物理研究所吴令安小组在实验室内完成了我国最早的量子密钥分发实验演示。2000 年,该小组又与中国科学院研究生院合作利用单模光纤完成了 1.1 公里的量子密钥分发演示实验。
2002 年至 2003 年间,瑞士日内瓦大学 Gisin 小组和我国华东师范大学曾和平小组分别在 67 公里和 50 公里光纤中演示了量子密钥分发。
2005 年,中国科学技术大学郭光灿小组在北京和天津之间也实现了 125 公里光纤的量子密钥分发演示性实验。
2006 年,中国科学技术大学潘建伟团队在世界上首次利用诱骗态方案实现了安全距离超 100 公里的光纤量子密钥分发实验。同时,美国 Los Alamos 国家实验室-美国国家标准局联合实验组和奥地利的 Zeilinger 教授领导的欧洲联合实验室也使用诱骗态方案实现了安全距离超过 100 公里量子密钥分发。量子诱骗态打开了量子通信技术应用的大门,开始从实验室演示走向实用化和产业化。
2004 年,美国雷神公司组和波士顿大学在 DARPA 支持下建了世界上第一个量子密码通信网络;2008 年,欧盟“基于量子密码的全球保密通信网络” (SECOQC)研发项目组建的 7 节点量子保密通信演示验证网络运行成功;2009 年,由日本国家情报通信研究机构( NICT) 主导,联合日本 NTT、 NEC 和三菱电机,并邀请到东芝欧洲有限公司、瑞士 ID Quantique 公司和奥地利 AllVienna 共同协作在东京建成了六节点城域量子通信网络“Tokyo QKD Network”;2010 年起,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室秘密构建了城域量子通信网络,直到 2013 年才公布。
量子通信技术已经获得了空前的发展,特别是 QKD(量子密钥分配)技术,已经可以进行上百公里的传输实验,并且大规模的 QKD 网络已经初步建成;量子离物传态技术也已经获得了传输 16 km 的实验进展。近年来的量子通信突破性进展层出不穷,尤其是随着关键量子器件技术的成熟,部分成果已经达到实用化水平,完全脱离了纯理论阶段,基本进入了应用阶段。