2004年6月3日，世界上第一个量子密码通信网络在美国马萨诸塞州剑桥城正式投入运行。主持这套网络建设的是美国BBN技术公司。新的量子密码通信网络已成功地实现了该公司与哈佛大学之间的连接，不久将延伸至波士顿大学。新的量子密码通信网络与现有因特网技术完全兼容，网络传输距离约为10公里。这个由美国BBN技术公司研发的量子密码通信网络和现有的宽带网并没有太大的不同——采用普通光纤传输数据，并且与普通网络完全兼容。与普通网络不同的是，该网络中传输的数据采用了量子密码技术进行加密。目前，网络有6个节点，已经从BBN公司铺设到了哈佛大学，预计今年年底将延伸至波士顿大学。量子密码通信是目前唯一被证明绝对安全的保密通信方法，美国《商业周刊》把它列在了“改变人们未来生活的十大发明”的第三位。据美国权威机构保守估算，量子密码通信系统一旦商用，将形成至少10亿美元的市场。

量子密码原理

量子密码学的理论基础是量子力学，而密码学的理论基础是数学。与传统密码学不同，量子密码学利用物理学原理保护信息。首先想到将量子物理用于密码技术的是美国科学家威斯纳。威斯纳在“海森堡测不准原理”和“单量子不可复制定理”的基础上，逐渐建立了量子密码的概念。“海森堡测不准原理”是量子力学的基本原理，指在同一时刻以相同精度测定量子的位置与动量是不可能的，只能精确测定两者之一。“单量子不可复制定理”是“海森堡测不准原理”的推论，它指在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的，因为要复制单个量子就只能先作测量，而测量必然政变量子的状态。

威斯纳于1970年提出，可利用单量子不可复制的原理制造不可伪造的“电子钞票”。由于这个设想的实现需要长时间保存单量子态，这是不太现实的，因此，“电子钞票”的设想失败了。但是，单量子态虽然不好保存却可以用来传递信息，威斯纳的尝试为研究密码的科学家们提供了一种新的思路。

量子密码就是用量子状态来作为信息加密和解密的密钥，其基本的原理是“量子纠缠”——一个特殊的晶体将一个光子割裂成一对纠缠的光子。被爱因斯坦称为“神秘的远距离活动”的量子纠缠，是指粒子间即使相距遥远也是相互联结的。大多数量子密码通信利用的都是光子的偏振特性——这一对纠缠的光子一般有两个不同的偏振方向，就像计算机语言里的“0”和“1”。根据量子力学原理，光子对中的光子的偏振方向是不确定的，只有当其中一个光子被测量或受到干扰，它才有明确的偏振方向。它代表“0”和“1”完全是随机的，但一旦它的偏振方向被确定，另外一个光子就被确定为与之相关的偏振方向。当两端的检测器使用相同的设定参数时，发送者和接收者就可以收到相同的偏振信息，也就是相同的随机数字串。另外，量子力学认为粒子的基本属性存在于整个组合状态中，所以由纠缠光子产生的密码只有通过发送器和接收器才能阅读。窃听者很容易被检测到，因为他们在偷走其中一个光子时不可避免地要扰乱整个系统。

当前，量子密码研究的核心问题，是如何利用量子技术在量子通道上安全可靠地分配密钥。所谓“密钥”，在传统的密码术中就是指只有通信双方掌握的随机数字串。

量子密钥分配，其安全性由“海森堡测不准原理”及“单量子不可复制定理”保证。根据这两个原理，即使量子密码不幸被电脑黑客撷取，也因为测量过程中会改变量子状态，黑客得到的会是毫无意义的数据。

我们可以这样描绘科学家们关于“量子密码”的设想：由电磁能产生的量子（如光子），可以充当为密码解码的一次性使用的钥匙”。每个量子代表1比特含量的信息，量子的极化方式（波的运动方向）代表数字化信息的数码。量子一般能以四种方式极化，水平的和垂直的，而且互为一组；两条对角线的，也是互为一组。这样，每发送出一串量子，就代表一组数字化信息。而每次只送出一个量子，就可以有效地排除黑客窃取更多的解密“钥匙”的可能性。

量子密码安全可靠

加密是保障信息安全的重要手段之一。在现有的各种密码中，没有哪种是解不开的。现在常用的标准加密方式是用一串随机数字对信息进行编码。比如，用数字串“5，1，19，20”来加密英文单词“east”（四个数字分别表示单词中四个字母在英文字母表中的位置）。这种加密方案有一个致命的缺陷——从数学上来讲，只要掌握了恰当的方法，任何密码都是可以被破译的。更糟糕的是，这种密码在被窃听破解时，不会留下任何痕迹，合法用户无法察觉，还会继续使用同一个地址储存重要信息，损失就会更大。

现在就是最安全的公钥密码系统，一旦遇上量子计算机，就形同虚设，须臾之间量子计算机便能破译这种密钥。要是用量子密钥来加密信息，那就连量子计算机也只能望“密”兴叹了。量子密码术是一种截然不同的加密方法，是密码编制人员追求的最高境界。主要是利用两种不同状态的快速光脉冲（光子）来以无法破译的密码传输信息。任何想测算和破译密钥的人，都会因改变量子状态而得到无意义的信息，而信息合法接收者也可以从量子态的改变而知道密钥曾被截获过。单量子态有两个特殊的脾气，使它能“守口如瓶”：一是根据量子不可克隆原理，未知的量子态不能被精确复制，所以人们不能像复制钥匙一样复制量子态；二是由于量子不确定性原理，任何试图对它“不轨”的举动，都会毁坏套在信息上的量子密钥“信封，”使盗贼自暴形迹。从理论上来说，用量子密码加密的通信不可能被窃听，安全程度极高。

假设黑客入侵网络，黑客必须用一个特殊的接收设施从一连串的量子中“吸”出一个来获取信息，但这样一来，发出量子密码的一方立即就会发现量子流中出现了空格。为了避免被发现，一般黑客会再发射一个量子来填补这个空格。但是，由于“量子密码”是采用量子的极化方式（波的运动方向）来编排密码的，而根据量子学原理，要同时检测出量子的4种极化方式，几乎毫无可能，黑客填补进去的量子只能是根据自己的猜测随便发射的——这样，这个“不合群”的量子很快就会被发现，从而防止信息被窃取。

量子密码通信技术的产生，经历了一个发展过程。

量子密码技术的发展

2002年10月，德国慕尼黑大学和英国军方下属的研究机构合作，在量子密码技术研究中取得重要进展。科学家们在德国和奥地利边境的楚格峰和卡尔文德尔峰之间用激光成功传输了光子密钥。这次传输的距离达到23.4公里，试验的成功使通过近地卫星安全传送密钥并建立全球密码发送网络成为可能。他们在这次试验中采用的密钥是偏振光。光子用不同偏振角代表二进制位的“0”和“1”，而光子发射的顺序代表了二进制代码的排序。激光信号发射装置每次发送一个有效的光子，而发射方和接收方通过电话核对每个光子的发射和接收时间、是否丢失、偏振角是否改变。一旦发生光子丢失或偏振角改变的情况，发射方就可以从密钥序列中去掉这个光子，从而组成一个新的密钥。

2003年8月，美国国家标准与技术研究所和波士顿大学的科研人员，研制出一种能探测到单脉冲光的探测器，它同时还能将误测或“漏测”率几乎减少到零。这一新成果为开发安全的量子通信和密码系统提供了关键技术。

2003年5月在奥地利维也纳大学从事合作研究的中国科技大学教授潘建伟博士及其同事，在量子纠缠态纯化的实验研究中取得了突破性进展。英国《自然》杂志以封面文章的形式发表了题为《任意纠缠态纯化的实验研究》的论文，潘建伟是第一作者。2001年，潘建伟教授与其合作者曾意外发现了利用现有技术在实验上可行的量子纠缠态纯化的理论方案，并于当年4月28日在《自然》杂志上发表。经过两年的艰苦努力，潘建伟和同事们最近终于在实验上成功地实现了高精度的纠缠态纯化。这项研究成果不仅从根本上解决了目前在远距离量子通信中遇到的困难，而且也将极大地推动可容错量子计算的研究。《自然》杂志审稿人称赞潘建伟等人的论文“构成了量子信息实验领域一个非常重要的进展”，“首次令人信服地在实验上证明了量子信息处理中任意未知的退相干效应是可以被克服的”。而1999年，潘建伟关于量子态隐形传输实验实现的论文同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等影响世界的重大研究成果一起被《自然》杂志评为“百年物理学21篇经典论文”。

2003年7月，中国科学技术大学、中科院量子信息重点实验室的科学、家在该校成功铺设一条总长为3.2公里的“特殊光缆”——一套基于量子密码的保密通信系统。2003年11月，华东师大研制成功国内首台量子保密通信样机。目前他们已拥有十几项国内外发明专利，部分单元器件已达到国际领先水平。他们将努力争取参与量子保密通信系统标准的制定。

2003年11月，日本总务省量子信息通信研究推进会提出了以新一代量子信息通信技术为对象的长期研究战略，计划在2020年至2030年间，建成绝对安全保密的高速量子信息通信网，以实现通信技术质的飞跃。日本计划在5年内实现在100公里左右的中距离通信中，使用量子加密技术，到2007年将构筑起量子信息技术高速通信实验系统，在2020年至2030年间建成利用量子加密技术的安全高速的量子信息通信网。为了实现这一目标，日本专家建议设置开放实验室，以供不同领域的专家信息交流之用。

科学家希望，将来可以实现1000公里距离的量子密码传输。这样就可以利用卫星来传递信息，并在全球范围内建立起保密的信息交换体系。