作者：尹浩,韩阳 等
出版社：电子工业出版社
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量子通信原理与技术试读：
工业和信息产业科技与教育专著出版资金 资助出版信息科学与工程系列专著量子通信原理与技术尹 浩 韩 阳 等编著内容简介
本书是关于量子通信原理与技术的专著，对国内外近年来该领域的研究成果和作者自身研究成果进行了总结。全书由12章组成，遵循“量子力学基础—量子信息论—量子通信协议—实现量子通信所涉及的关键技术—典型量子通信系统举例—量子通信技术发展展望”的主线，详细介绍量子通信的基本原理和关键实现技术。主要内容有：绪论，量子力学基础，量子信息的基本概念，量子信息论简介，量子通信协议，量子信号产生技术，量子信号调制技术，量子信号探测技术，量子中继技术，量子网络技术，典型量子通信系统和量子通信发展展望。
本书可供从事量子信息、量子通信、信息与通信工程、密码学等专业或其他对量子通信感兴趣的科技人员参考，还可作为上述专业高年级本科生或研究生的教材或参考书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。
图书在版编目（CIP）数据
量子通信原理与技术/尹浩等编著.—北京：电子工业出版社，2013.1（信息科学与工程系列专著）
ISBN 978-7-121-18901-2
I.①量… II.①尹… III.①量子力学－光通信 IV.①TN929.1
中国版本图书馆CIP数据核字（2012）第266868号
责任编辑：窦 昊（http://weibo.com/douh）
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出版发行：电子工业出版社
北京市海淀区万寿路173信箱 邮编 100036
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服务热线：（010）88258888。序 言
近几十年来，由于光纤和半导体激光器的发明，通信技术有了飞速的发展。光纤通信以其容量大、可靠性高而成为现阶段通信的主要手段之一。光纤通信主要采取用脉冲强度调制，并结合波分复用技术，极大地拓展了单根光纤内的信道容量。由于光信号在传输中会逐步衰减，为了达到长距离传输的目的，每隔一定距离需要通过掺铒光纤放大器组成的中继站将光信号恢复，达到长距离通信的目的。在光网络之上，还承载着电话网、移动通信网、IP网等业务网，为社会生产、生活活动提供不同种类的通信服务，其中应用最广泛的是以Internet为代表的IP网。在Internet中，信息传递的基本单元称为数据包，其数据格式、同步方式、传送步骤和纠错方式等方面的约定称为协议。由路由器在通信的枢纽节点对各个方向来的数据包进行必要的分配和调度。路由器的作用是从输入数据流中分离出数据包及包头，并将其转给转发引擎以做后续处理。
在网络通信中，军用或者民用的某些部门需要保密通信，为此发展了各种密码学。从原则上讲，最理想的保密通信是量子通信。相对于量子通信而言，现在的通信可以称为经典通信。量子通信尽管在原理上、理论上已经进行了许多深入的研究，但是离实用阶段还有一定距离，直观地说，问题在于，经典通信中所有的设备、功能如何能被对应的量子通信的设备、功能代替，如光源、中继器、路由器、协议等。目前经典通信的通信量、通信速度随着“硬件”的发展不断提高，而量子通信发展的瓶颈也在于这些“硬件”。
本书全面系统地介绍了量子通信的原理和一些关键技术，如量子通信协议、量子信号产生技术、量子信号调制技术、量子信号探测技术、量子中继技术和量子通信网络技术等。与已出版的国内外有关的量子信息书籍相比较，本书结合通信的每一环节介绍量子通信的原理和技术，以及尚待解决的问题，也就是结合使用来学习，这样可以明确研究的方向，以便学习得更深入，而不是一般泛泛地从理论到理论，陷入量子力学的“陷阱”中。
前面说到，量子通信存在着一些“瓶颈”，制约着量子通信进入实用阶段。例如：（1）单光子源、纠缠光子源。最理想的量子通信光源是单光子源，但是目前实用的、可控制的、电激励的单光子源还没有研制成功。正如本书6.2.1节“单光子枪”中提到的：“到目前为止，斯坦福大学、东芝欧洲研究中心等机构都有相关研究成果发表。对于量子点光源，仅限于实验室针对于其制备、物理方面的研究。受现有技术的制约，在量子点光源的尺寸、形状一致性、光子的发射特性、光谱的单色性控制等方面都存在诸多困难。”（2）量子中继器。本书9.4.1节“单光子量子中继技术的实验验证”中提到：“在2008年潘建伟小组的实验中，在存储时间为4.5 ns的条件下，仍观察到光子1和4间的纠缠现象，上述演示说明通过纠缠交换建立远距离量子纠缠是可能的，相当于实现量子中继过程中相邻站点间的一次纠缠产生过程。一方面，此实验验证了量子中继的一般原理；另一方面，也说明了现阶段量子中继所需设备复杂，实验难度大。由于现阶段对于光与物质相互作用的操控能力有限，量子中继技术距离实际应用还有较长的路要走。”（3）光子存储器。电子存储器技术已经解决，现在已经做到信息的海量存储，而光子存储器连原理到原型器件都没有。在量子通信网络技术中，最关键的“硬件”是光子存储器。本书10.1.4节“其他量子交换技术”中提到：“光量子可控缓存器是量子时分交换实现的关键。定时的光量子缓存器可以采用光纤延时线来实现，但为了实现任意时隙间的交换过程，必须要求各个分路上的时隙是可以调节的。光量子信号存储一直是困扰量子通信网络的一大难题，现在还处于理论研究和实验室验证阶段，暂还不具备实用化条件。”
目前，中国科技界存在一种不好的倾向，要宣传一个东西好，就描写得十全十美，一点问题也没有，好像马上就能实现的样子。俗话说就是“忽悠”。本书在介绍量子通信优点的同时，又实事求是地指出了它目前存在的困难和问题，使领导和科技工作者头脑保持清醒，知道量子通信前面的路还很长，还需要我们继续努力，刻苦钻研，攻克一个个堡垒，最后才能达到顶峰。
本书的作者是以尹浩研究员为代表的一批中年和青年科技专家，他们长期致力于量子通信领域的理论研究和工程化实践工作，具有坚实的理论基础和丰富的实践经验。这支团队在繁重的科研工作间隙，基于自身的研究成果和相关素材，编著了这本理论与实践相结合的优秀著作，相信他们严谨求实的科学态度和深入浅出的写作文风会给读者留下深刻的印象，并希望本书能对我国量子通信相关知识的普及和专业人才的培养做出一定的贡献。中国科学院院士 夏建白于北京中国科学院半导体研究所2012年7月2日前 言
20世纪物理学史上最重要的成就之一是量子力学的创立。量子力学揭示了经典物理学规律只是量子规律在宏观条件下的近似，世界本质上是量子的，微观物理系统的状态和其动力学特性必须在量子力学下才能完整描述，而物理量的测量结果是概率的、统计性的，而不应是简单的拉普拉斯决定论的。量子力学通过一整套自洽的理论框架和数学结构，改变了我们对自然界的描述方法，也大大加深了我们对自然界本质的认识。
量子力学自诞生以来，取得了巨大的成功。许多现象通过量子力学才得以真正地被解释，奇妙的、全新的物理现象被量子力学精确地预言。量子力学的发展，还促成了半导体技术、微电子技术、激光技术、新能源技术与材料科学的出现和发展，极大地促进了人类文明的进步。
20世纪另一项对人类社会影响深远的科技进步是信息与通信技术。信息技术的兴起以电子计算机的出现为标志。随着计算机技术的不断进步以及卫星通信、光通信和互联网的大规模应用，信息的存储、传输、处理和应用过程发生了根本性的变化，人类从此进入信息时代。正如19世纪热力学和蒸汽机技术相互促进的发展模式一样，在信息技术取得极大飞跃的同时，一门抽象地研究信息本质的科学——信息论也随之诞生。1948年，香农发表了划时代的论文《通信的数学理论》，文中用精巧的数学形式将信息学初步确立为一门可以定量描述的现代科学。60多年以来，以香农理论为核心的经典信息论经历了一个发展成熟的过程，并对信息与通信技术的进步起到了重要的指导和推动作用。
信息与通信技术、信息论和物理学存在着深刻和密切的联系。信息必须以一定的物理态作为载体才能进行表示、传输、存储和处理。因此，人们对信息的处理过程实际上都归结为对物理状态的操控。例如，信息的表示是对物理态编码和调制的过程，通信是编码物理态的远距离传输过程，信息处理是按算法要求对编码物理态进行演化控制的过程，信息的提取则是对编码物理态的解调和后续的测量过程。因此，人们对信息的利用能力紧密地依赖着我们对物理系统的操控能力，从烽火台到无线电，从磁盘到光盘，无不深刻地揭示了这一点。随着人们对量子系统操控能力的不断增强，而既然经典物理态和量子态的性质和演化又遵循完全不同的规律，可以想见，若我们将信息编码在量子态上，信息的存储、传输和处理方式将发生根本性的变革，由此诞生了量子信息学。
量子信息学是量子力学、计算机科学、信息与通信工程学科相结合的一门交叉学科，主要包含量子通信和量子计算两个基本领域。基于编码物理系统的量子特性，如量子相干性、非局域性、量子纠缠、量子不可克隆性等，量子信息有着许多经典信息无法比拟的优势。它的发展突破了许多经典信息技术的物理极限，开拓出新的信息功能，如量子搜索、因式分解、量子保密通信和量子隐形传态等，展示了量子信息学在通信密码破译、超快计算、安全通信等方面的巨大应用前景。
我国已将以量子信息技术为核心的量子调控技术列入了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020）》中重大科学研究计划，并在多所高校或科研院所成立了相关的研究机构。经过十数年的发展，我国已经在光纤量子通信、空间量子隐形传态、纠缠分发和量子存储等关键技术方向取得了一批具有国际先进水平的科研成果，整体发展水平居于世界前列。虽然在现阶段，由于对量子体系操控能力的不足，量子通信系统相对于经典通信系统的很多优势还停留在实验室验证阶段，暂未能大规模地进行工程化应用。然而，信息技术逐步走向由量子力学规律支配的微观世界是大势所趋，量子通信系统的能力和适用性也正随着量子技术的发展不断提高，应用成本不断降低，世界各国已经涌现了一批以量子信息为主业的商业机构，开发了多种诸如量子随机数发生器、量子保密通信系统等产品上市销售。随着量子通信在理论和实验上的不断突破，这一领域很可能会在本世纪上半叶引起关于信息和通信技术的一场革命。
与此同时，我国在量子信息领域的学术著作还不够丰富，尤其是量子通信领域高水平参考资料比较匮乏，无法满足广大科研工作者和工程技术人员的需求。本书的作者来自量子通信领域理论研究和工程化实现的一线科研团队，具有扎实的理论基础和丰富的工程实践经验。作者力争将本书编写成为一本既着眼共性基本原理，又反映最新研究成果，并直接面向工程实践的优秀参考书籍，从而为改善国内量子通信领域高水平参考资料不足的现状做出自己的贡献。
本书主要介绍量子通信的基本原理和实现量子通信系统所需的相关关键技术。本书分12章，内容遵循“量子力学基础—量子信息论—量子通信协议—实现量子通信所需关键技术—典型量子通信系统举例—量子通信技术发展展望”主线，各个章节的基本内容和逻辑联系如下：
第1章绪论，通过回顾量子力学的发展历程，简介量子信息学的研究范畴，并概述量子通信领域的发展现状，力图使读者对本书涉及的各学科领域有一个概貌性的了解。
第2章量子力学基础，将主要给出与量子通信领域相关的量子力学的基本原理和光场量子化等内容，为读者进一步学习后续内容做好铺垫。
第3章量子信息的基本概念，将引入量子比特、量子纠缠等量子信息学中特有的信息资源，并对其特性进行总结。
第4章量子信息论简介，将通过与经典信息论的对比，介绍量子信息论的基本概念和主要结论，作为后续学习具体量子通信协议的信息论基础。
第5章将分类介绍主流的量子通信协议，并给出协议的简要安全性分析，为全书的核心章节之一。通过对比经典通信协议，力图使读者较为全面地了解量子通信的特点和优势，理解我们着力发展量子通信技术的主要驱动力来源。
第6章至第10章将分别介绍实现量子通信所涉及的关键技术，包括量子信号产生、量子信号调制、量子信号探测、量子中继和量子网络技术。
第11章将举例介绍不同类型的典型量子通信系统，分别针对有线信道和无线信道点对点量子通信系统，以及已公开报道的量子通信实验网络，给出了系统组成、工作原理和技术发展现状。
第12章将介绍量子通信领域中的一些新进展，包括现实量子通信系统的安全性问题、量子存储技术、量子复用技术、星地量子通信技术等，并试图对量子通信未来的发展进行预测和展望。
本书由尹浩研究员、韩阳博士策划编著，确定了全书的总体思路和章节内容，编写了部分内容并负责统稿。参与本书编写的人员还包括徐馥芳博士、裴昌幸教授、邹宏新副教授、张军副教授、陈腾云副教授、朱畅华副教授、沈咏博士等。此外，在本书编写期间，陈凯教授、陈宇翱教授、任继刚副研究员、权东晓副教授、赵楠博士、唐军博士等与作者进行了多次有益的学术交流和讨论，提供了部分参考资料和写作素材，提出了很多宝贵的意见和建议，作者在此一并表示感谢。作者还要感谢电子工业出版社，特别是通信分社窦昊社长对本书按期高质量出版给予的大力支持。
由于作者水平有限，成书时间也较为仓促，书中难免出现疏漏及不足之处，恳请业界专家、学者和使用本书的广大专业技术人员批评、指正。编者2012年9月 于北京第1章 绪 论
量子通信是量子力学的基本原理和通信理论相互结合产生的交叉学科。本章1.1节简要介绍量子力学的发展历史，以帮助读者理解第2章介绍的量子力学的公设和量子信息学及量子通信的基本原理；1.2节主要介绍量子信息学的研究范畴，重点给出与量子通信相关的一些基本概念；1.3节归纳量子通信的发展现状，以期使读者对量子通信领域有一概貌性的了解。1.1 量子力学发展历史回顾
在19世纪末，物理学界普遍存在着一种乐观情绪，认为物理学大厦已经建立，对于物理现象的本质已经有了基本全面的认识，后辈的物理学家只需做一些修补工作。物理学家们陶醉于17世纪建立起来的力学体系、19世纪建立起来的电磁学、热力学及统计物理学，直到被开尔文（Kelvin）爵士一篇名为“19世纪的乌云笼罩着热和光的动力学理论”的报告所震动。报告中指出经典物理学的两个未能圆满解释的基本问题，被比喻为物理学悬浮着两朵乌云。“第一朵乌云”是指迈克尔逊—莫雷（Michelson-Morley）实验结果和以太漂移说相矛盾；“第二朵乌云”则指观测到的物理比热总是低于经典物理学中能量均分定理给出的值，其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。经典物理学经历着前所未有的巨大危机，急需新的理论来补充，相对论和量子力学就是在这种背景下进入了历史舞台的中心。爱因斯坦（Einstein）提出的狭义相对论，改变了牛顿（Newton）力学中的绝对时空观，指明了牛顿力学的适用范围，即只适用于速度v远小于光速的物质的运动。量子力学则涉及物质运动形式和规律的根本变革，经典物理学只适用于描述一般宏观条件下物质的运动，而对于微观世界和一定条件下的某些宏观现象，则只有在量子力学的理论上才能说明。本节从19世纪末经典力学遇到的困难出发，简要介绍量子力学的形成过程。1.1.1 黑体辐射与普朗克的能量子假说
1895年，基尔霍夫（Kirchhoff）定量地研究了物体对光的吸收和辐射效应，发现所有物体发射光与吸收光的能力之比是一常数，这种能力只与物体自身的温度和光的波长有关，而与物体的材料及其结构无关。随后，基尔霍夫引入了黑体的概念，所谓黑体是指在任何温度下都能全部吸收到达其上的一切辐射的理想吸收体。可见，黑体的吸收能力达到最大，因此随后的研究大都集中在黑体的辐射能力上。
1896年，维恩（Wien）提出了一个辐射能量分布的半经验公式：式中，E(ν)dν表示在频率范围(ν,ν＋dν)和单位体积中温度为T的黑体辐射能量，c与c是两个参数。但后来的实验发现维恩公式只适用于12较高频率和较低温度时的情形，如图1.1所示，在较高频率时维恩公式与实测值符合得较好。图1.1 黑体辐射的能量密度随频率的变化
1900年，瑞利（Rayleigh）根据经典电动力学和统计物理理论得出一个黑体辐射公式，并由金斯（Jeans）在1905年进行了修正，即瑞利-金斯公式：
该式在低频段时与实验值符合较好，但在高频段时与实验值相差较大。而且由式（1.2）可见，辐射能量密度与频率的平方成正比，当频率较高时，辐射能量趋于无穷大，即向紫外端发散，这完全不符合黑体辐射的真实情况，历史上称为“紫外灾难（Ultra-Violet Catastrophe）”，如图1.1所示。
1900年，普朗克（Planck）在分析维恩、瑞利-金斯公式的基础上，根据黑体辐射能量密度在红外波段（低频区）的精密测量结果，提出了普朗克公式：
c与c是两个参数。普朗克公式在全波段都与观测极为符合。在34高频区普朗克公式化为维恩公式，在低频区普朗克公式化为3当c/c＝8πk/c时，k为玻耳兹曼常数，式（1.4）与瑞利-金斯公式等34价。
普朗克发现，如果假定对于一定频率ν的辐射，物体只能以hν为单位吸收或辐射能量（h是一个普适常数，后来人们称之为普朗克常数），则可以从理论上导出它的黑体辐射公式（1.3）。也就是说，物体吸收或发射电磁辐射，只能以“量子”（Quantum）的方式进行，每个“量子”的能量为ε＝hν，称为“作用量子”（Quantum of Action）。从经典力学来看，能量不连续的概念是绝对不允许的，所以尽管从这个量子假设可以导出与实验观测极为符合的普朗克公式，在相当长一段时间里普朗克的工作并未引起人们的重视。
爱因斯坦及德拜（Debye）进一步把能量不连续的概念应用于固体中原子的振动，成功地解决了当温度T→0 K时，固体比热趋于零的现象。至此，普朗克提出的能量不连续的概念才逐渐引起物理学家的重视，随后爱因斯坦将能量量子化引入到对光电效应的解释，玻尔将（Bohr）能量量子化引入到对原子结构和氢原子辐射光谱的解释，获得了成功。能量量子化的思想成了量子力学的基石。普朗克由于对基本作用量子的突出贡献，获得1918年诺贝尔物理学奖。1.1.2 光电效应与爱因斯坦的光量子理论
光电效应是指物质（包括金属，以及非金属的固体、液体或气体）中的电子在吸收较短波长的电磁辐射（如可见光或紫外线）的能量后从物质中发射出来的现象。从物质中发射出来的电子称为光电子。
实验发现，对于特定的物质，只有辐射的光大于某一临界频率时才能激发出光电子。该临界频率仅取决于物质组成，而出射的光电子能量取决于光的频率而与光强度无关，这一点无法用光的波动性理论解释。另外，光电效应还有一点与波动说矛盾。按照波动理论，如果入射光较弱，照射的光要经过一段时间的积累才能发射光电子，而实验发现，即使光强很弱，入射光的到达时刻与光电子的产生时间间隔非常短，实验测定值小于10 ns。
光电效应最早是1887年发现的。当时，赫兹（Hertz）发现用紫外线照射电极时更容易产生火花放电，随后，霍尔瓦克（Hallwachs）斯证实这是由于放电间隙出现电荷的缘故。之后，汤姆逊（Thomson）、勒纳德（Lenard）进行了深入的研究，但一直没有合理地解释观察到的现象，直到爱因斯坦给出了正确的解释。1905年，爱因斯坦认为光是由离散能量包（后来叫做光子）组成的，而不是连续波。在此思想的启发下，爱因斯坦得出了光电效应方程，与实验结果很吻合。公式如下：式中，υ为光电子的速率，ν为入射光的频率，h为普朗克常数，m为光电子的质量，φ为从原子中逸出一个电子所需的能量。在该式中，爱因斯坦扩展了普朗克的黑体辐射理论，认为光量子能量等于频率乘以一个常数（即普朗克常数）。截止频率以上的光子拥有的能量能激发出电子，产生光电效应。采用光量子概念之后，光电效应中出现的疑难随即迎刃而解。由于对光电效应的研究和数学物理理论的卓越贡献，爱因斯坦获得了1921年诺贝尔物理学奖。
通过对光电效应的研究提出的光量子的概念发展了普朗克的能量子假说，对量子理论的发展起重要的作用，同时玻尔也将量子化的思想引入到原子结构中去。1.1.3 玻尔的旧量子论
原子的组成和内部结构是19世纪末物理学家关注的重点。1896年，汤姆逊提出如下原子模型：正电荷均匀分布于原子中，电子以某2＋种规则排列镶嵌其中。然而，α粒子（He离子）原子散射实验中出现的大角度散射现象对这一模型提出了疑问。基于此，1911年卢瑟福（Rutherford）提出了原子核式结构模型：原子的正电荷都集中在原子的中心，形成原子核，而电子则围绕原子核旋转。此模型可以很好地解释α粒子的大角度散射，但却遇到了如下难题：（1）如果电子围绕原子核做加速旋转运动，则按照经典电动力学，电子将不断产生电磁辐射而动能减小，轨道半径会不断缩小，最后将掉到原子核上去，原子随之塌缩，但是事实表明原子稳定地存在于自然界；（2）电子因电磁辐射而发射的光的频率等于原子中电子的运动频率，应当是连续的光谱，然而从氢气放电管中观察到的氢原子光谱是线状光谱。玻尔创造性地将量子化观点应用到原子中，将普朗克常数h引进卢瑟福模型，提出了三个假设：（1）原子能够而且只能够稳定地存在于一些稳定的状态，即定态（Stationary State），这些状态分别对应于离散的能量E,E,…，可称12为能级，原子状态的变化，包括吸收或发射电磁辐射，只能在两个定态之间跃迁（Transition）；（2）原子在两个定态间（对应能级为E和E，设E＞E）跃迁时，1221发射或吸收的电磁辐射的频率ν为ν＝(E－E)/h，如图1.2所示；21（3）电子绕核运动的角动量是量子化的。图1.2 原子轨道跃迁示意图
由上述假设（1）可知，原子能够稳定地存在于稳态，除非吸收或发射电磁辐射而改变状态，因而原子可稳定地存在于自然界中；由上述假设（2）可知，电磁辐射的频率与能级之间的能量差有关，因而是离散的；再结合假设（3），可以定量地确定氢原子的能级和光谱频率。可见，玻尔的理论对人们认识原子内部电子运动规律做出了重大贡献。
但是玻尔理论仍存在局限性。玻尔理论虽然成功地说明了氢原子和类氢离子的光谱结构，而且还肯定了氢同位素氘的存在，但是对于更复杂的原子（如氦原子）的光谱，则无能为力；玻尔在描述电子运动时仍采用了轨道的概念，难以解释电子定态能级之间跃迁的物理本质；玻尔理论未能提供处理谱线强度的方法；玻尔理论只能处理周期运动，而不能处理非束缚态问题等。但是，玻尔理论创造性地把量子化的思想用到卢瑟福的原子结构模型中，成功地解释了氢原子光谱之谜，波尔创立的旧量子理论在量子力学的发展上起到了非常重要的作用，为量子理论的发展奠定了基础，他本人也于1922年获得了诺贝尔物理学奖。1.1.4 德·布罗意的物质波
光的干涉和光电效应等现象说明了光具有波粒二象性。在普朗克-爱因斯坦的光量子论和玻尔的原子论的启发之下，1923年，德·布罗意（de Broglie）提出微观粒子，如电子、质子或中子，也具有波动性，即实物粒子也具有波粒二象性。他假定具有能量E和动量p的实物粒子，其呈现的物质波（Matter Wave）的频率和波长分别为
实物粒子的波动性在1927年得到实验验证。戴维孙（Davisson）和革末（Germer）将一束电子打在金属镍单晶表面上，观测到了电子衍射的现象，并证实了德· 布罗意关系λ＝h/p的正确性。随后，科学家将电子束打在云母薄片上，得到了云母的电子衍射图，打在金箔上得到了同心圆环衍射图样。
后来大量的实验表明质子、中子、原子、分子等都具有波动性。可见，波动性是实物粒子普遍具有的一种性质，波粒二象性成为量子力学基本理论的重要组成部分，物质波的提出者德·布罗意也于1929年荣获了诺贝尔物理学奖。1.1.5 波动力学和矩阵力学
在德·布罗意提出物质的波动性并得到实验证实后，玻恩（Born）提出用波函数描述微观粒子的状态，指出它是一种概率波。1926年薛定谔（Schrödinger）提出了波函数的波动方程（后来称为薛定谔方程）。薛定谔把原子的离散能级与微分方程在一定的边界条件下的本征值问题联系在一起，成功地说明了氢原子、谐振子等的能级和光谱规律，从而建立起来波动力学。
同年，海森堡（Heisenberg）、玻恩和约当（Jordan）也建立了矩阵力学。在矩阵力学中，每一个物理量（例如粒子的坐标、动量、能量等）都对应一个矩阵（或算符），它们的代数运算规则与经典物理量不同，两个量的乘积一般不满足交换律。量子体系中各力学量（矩阵或算符）之间的关系用矩阵方程或算符方程表述，虽然形式上与经典力学相似，但运算规则不同。矩阵力学成功地解决了谐振子、转子、氢原子等的离散能级、光谱线频率和强度等问题，引起物理学界普遍重视。
同在1926年，薛定谔证明了矩阵力学和波动力学之间是等价的，它们只是用了不同的数学语言来表述而已。虽然当时对量子力学的描述有着多种不同的数学体系，但只有波动力学和矩阵力学获得了广泛的应用。
在科学家对黑体辐射、光电效应、原子的结构和谱线之谜等困惑的探索和研究过程中，能量量子化、光量子理论、物质波等新的思想和理论不断地提出，较好地解答了这些疑惑，量子力学逐渐建立起来了。
量子力学建立后，证明了其在低速、微观的现象范围内具有普遍适用的意义。它是现代物理学基础之一，在现代科学技术中的表面物理、半导体物理、凝聚态物理、粒子物理、低温超导物理、量子化学以及分子生物学等学科的发展中，都有重要的理论意义。量子力学的产生和发展标志着人类认识自然实现了从宏观世界向微观世界的重大飞跃。1.2 量子信息学的研究范畴
量子理论自提出后至今已过百年，它在许多领域都获得了广泛的应用，其中量子信息学是其重要的应用学科之一。量子信息学是指研究应用量子系统进行信息编码、传输、处理和提取的一门学科。具体来说，在量子信息学中，信息由量子态进行表征，信息传输是指在量子信道中传送量子态，信息处理则是量子态的受控演化，信息提取则需通过对量子系统执行量子测量。量子信息学包含量子通信和量子计算两个子研究领域，本节将分别对两个子领域进行概述性的介绍，给出量子信息的基本概念，帮助读者了解量子计算和量子通信领域的概貌，细节将在后续章节中展开。1.2.1 量子计算
物理上，计算过程可以归结为一个被编码的物理系统的受控演化。电子计算机即是这样一种可控的物理系统——利用电平信号编码信息，利用人为设定的程序和相关联的电子元件（逻辑门）来控制系统的演化。在电子计算机中，信息的传输和处理都服从经典物理规律，因此，电子计算机也可被称为经典计算机。电子计算机的出现给人类社会带来了翻天覆地的变化，然而，其经典特性也决定了电子计算机与生俱来的局限性。
首先，经典物理只是量子理论在宏观条件下的近似，而量子理论是更深入、更能反映自然界本质和演化规律的科学理论。随着电子计算机的发展，其结构越来越复杂，功能不断增强，单位面积上集成的逻辑元件数目也不断增加（最新发布的Intel公司SRAM处理器上集成了19亿个晶体管）。然而，当单个逻辑元件的尺度逼近原子大小时，经典物理规律已经不能完全适用，必须在量子理论下才能描述系统的状态和状态的演化。按照目前处理器技术的发展速度，在不远的将来，我们就将逼近这样的尺度。当组成处理器的逻辑元件的行为表现出量子效应时，经典计算机理论就失去了物理基础，其相应的工作原理和技术实现都不可避免地面临变革。从这个角度说，量子计算机的出现是计算机科学发展的必然结果。
其次，在经典计算机上模拟量子系统有着不可逾越的困难，并在一些特定问题的计算速度上落后于对应的量子算法。早在1982年，物理学大师Feynman教授就指出，多粒子量子系统态的演化在高维度的Hilbert空间中进行，其动力学服从量子理论的规律，用经典计算机模拟量子系统将耗费极大的计算资源，因此是不可行的。除此之外，对于一些特定的计算问题，量子计算机也展现出了前所未有的优势，例如，著名的Deutsch问题和大整数因式分解问题，等等。正是由于上述原因，量子计算被看做下一代计算机的发展方向。
量子计算领域的发展概貌如图1.3所示，现阶段研究比较活跃的子领域主要包含量子算法、量子计算模型和量子计算的物理实现等，其中量子算法和量子计算模型是该领域的理论基础，量子计算的物理实现交汇了材料学、低温物理、激光物理、核物理、纳米技术等一系列学科和技术，是人们面向制造量子计算机这一宏伟工程实践所做出的探索。图1.3 量子计算的研究范畴
1.量子算法
量子算法是基于量子计算的特性而提出的算法，可以理解为未来量子计算机软件的核心部分。最初的量子算法是针对如何模拟量子系统问题提出的。早在1982年Feynman就提出了一个通用量子模拟器模型，他指出经典图灵机在模拟量子现象时，其速度呈指数规律下降，而他所提出的通用量子模拟器不会以指数规律上升。1996年，Seth Lloyd 证明了一个标准的量子计算机通过编程能有效的模拟任何局部量子系统。通过进一步研究人们发现，针对一些特定的经典问题，量子计算同样存在远远超越经典算法的量子算法，典型的有Deutsch-Jozsa算法、Shor因子分解算法和Grover量子搜索算法，等等。
Deutsch-Jozsa算法是1992年由Deutsch和Jozsa提出的，用以解n决以下问题：对于一个函数f:{0,1}→{0,1}，输入长度为n位二元比特流，函数要么具有常数输出（只输出0，或只输出1），要么具有平衡输出（所有输入中的一半输出0，另一半输出1）；要求函数的输出模n－1式，若要用经典方法，最坏情况下，需要试验(2＋1)次，而Deutsch-Jozsa利用量子叠加原理，设计量子计算机执行一次计算立[Deutsch1992]即可确定函数的输出模式。可见相对于经典算法，Deutsch-Jozsa算法的运算效率得到指数率的提高。
在量子计算中，离散傅里叶变换也被推广至量子傅里叶变换，用于计算离散对数，估计幺正算子本征值。1994年，Shor提出了一个整数因子分解算法，基于该算法，在量子计算机中分解整数N，只具有多项式时间复杂度而采用经典算法，如公认最优的数域筛法（number field sieve）分解因子时间复杂度为。可见，Shor算法使运算效率获得了指数率的提高。这一算法的出现引起整个密码学界广泛注意，因为它直接威胁着现在普遍使用的RSA公钥密码体系。RSA公钥密码体系的安全性依赖于大整数因子分解的难度，依靠Shor算法，RSA公钥密码体系在量子计算机的超快计算下将不堪一击。
1996年，Grover提出了一个量子搜索算法，对搜索具有N个数据[Grover1996]的无序数据库，仅需次查询且使用O(logN)个存储空间。而在经典的计算模型中，其搜索无序数据库次数为O(N)次，Grover算法还可用做估计数据样本的均值和中值，求解碰撞问题等。
量子算法不断地被提出，无不体现出巨大的优势。基于量子算法[李士勇的优越性，人们又提出了一系列新颖的信息和信号处理算法2009]，如量子遗传算法、量子群智能优化算法、量子神经网络等。
2.量子计算模型
量子计算模型是用来实现量子算法的物理模型，典型的有量子线路（Quanutm Circuit）模型等。
在经典计算机领域中，基本的信息处理单位是经典比特（bit），通常使用一些逻辑门，比如与门、或门、非门、异或门等构建简单的电子线路，这些简单的电子线路可以完成一些基本的逻辑运算；把许多这样的电子线路组织在一起，就可以逐渐地构成更大规模的集成线路，来完成更为复杂的计算任务，乃至构造出大型的经典计算机。
量子计算也是类似的，基本的信息处理单位是量子比特（qubit，详细的定义请见第3章），在量子线路模型中最基本的逻辑运算单元就是量子逻辑门，比如Hardmard门、受控非门、相移门等。把这些基本的量子逻辑门按照一定逻辑顺序作用在量子比特上面，就构成了量子线路。
量子线路是量子计算中最基本也是最常用的模型之一。由于量子逻辑门具有许多经典逻辑门所不具备的特性，比如量子逻辑门可以改变量子比特之间的相对相位，可以对多个量子比特进行非局域操作等，因此，使得基于量子线路模型的量子计算具有比经典逻辑线路更为强大的计算能力和更为广阔的应用前景。
3.量子计算的物理实现
要物理实现量子计算模型要求的各类量子逻辑门，必须精巧地操控被编码的量子系统，而同时量子态的脆弱性又要求必须很好地隔离外界对其的影响，事实上，满足上述苛刻要求的量子系统很有限。目前的量子计算实验所采用的技术包括光学（Optics）、腔量子电动力学（Cavity QED）、超冷原子（Ultracold Atoms）、囚禁离子（Trapped Ion）、光晶格（Optical Lattice）、核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance）、氮-空位中心（Nitrogen-Vacancy Center）以及超导（Superconducting）量子计算系统。
整体来看，还没有哪一种量子系统表现出完全领先的优势，因此分布在世界的各个实验室的科学家们建立了多个备选系统，并反复进行着量子态初始化、逻辑门操控和信息读取的相关试验。近年来，基于超导的量子计算系统的发展势头相对迅猛，2007年加拿大计算机公司D-Wave声称研制出了全球首台量子计算机“Orion（猎户座）”，2011年全球首台商用量子计算机D-Wave One诞生，它采用由128个超导量子比特组成的量子处理器，但目前只能用于处理部分特[D-Wave2011]定的任务，例如人工智能运算等。在图1.4中，(a)为D-Wave量子计算机照片，(b)为处理器芯片，(c)为封装好的处理器芯片。
2012年2月，IBM公司宣布在量子计算方面也取得了重要进展，采用三维合金波导谐振腔，使得内置的超导量子比特装置有效地克服了消相干的影响，将量子态保持近100 μs，同时在量子比特上的逻辑操作的成功率达95%～98%，IBM公司的科学家表示，下一步将进行可扩展的量子处理器的研发。大家对在不远的将来实现实用规模的量子计算机充满信心。图1.4 D-Wave的量子计算机及其芯片（引自D-Wave公司网站）1.2.2 量子通信
量子通信是指利用量子力学基本原理或基于物质量子特性的通信技术。量子通信的最大优点是其具有理论上的无条件安全性和高效性。理论上无条件安全性是指在理论上可以证明，即使攻击者具有无限的计算资源和任意物理学容许的信道窃听手段，量子通信仍可保证通信双方安全地交换信息；高效性是利用量子态的叠加性和纠缠特性，有望以超越经典通信极限的条件下传输和处理信息。因此，量子通信对金融、电信、军事等领域有极其重要的意义，并在实际中最先获得了发展和应用。
量子通信领域的发展概貌如图1.5所示。通信理论和量子力学是量子通信领域的两大基础，在此基础之上建立了量子信息理论，并形成多种量子通信协议，或称为量子通信方案。实现一个完整的量子通信系统则以量子编码理论为基础，以特定的量子通信协议为核心，通过实现量子信号产生、调制和探测等关键技术，最终实现量子信息或经典信息的传送。随着通信网络理论的发展以及量子中继技术的突破，量子通信网络有望从局域网络走向更大规模广域网络，乃至发展全球规模的量子通信网络。图1.5 量子信息传输的研究范畴
本节主要简明地介绍量子通信的基本概念，包括量子信息论和量子通信的不同实现方案，更详细的内容请参见本书后面的章节。
1.量子信息论
1948年，克劳德·香农（Claude Shannon）发表了两篇著名的论文，在数学上严格刻画了信息量的概念，确立了经典信息论，从而为现代信息和通信理论发展奠定了基础。与香农信息论类似，量子通信的数学理论基础是量子信息论，它是量子力学与经典信息论结合的产物。
量子信息论研究的首要问题是如何度量用量子态表征的信息以及量子信息中特有的资源（例如，纠缠）；量子信息论研究的第二个问题是如何最优地利用给定的量子通信资源进行通信，这涉及量子信源的表示和压缩以及量子信道容量的计算，等等。量子信息理论由于根植于量子力学，与经典信息理论有许多迥异的性质。比如在量子信息论中，编码的量子态之间不一定是完全可以区分的，未知量子态本身是不可复制的，作为特殊量子态的纠缠可以在整体状态完全确定的条件下，子系统的状态却完全不确定等一系列全新的性质，需要应用全新的理论体系加以刻画。总体来看，经典信息论的发展已经相对成熟，量子信息论还有很多没有解决的公开问题，目前仍是研究热点。
2.量子通信协议
基于量子态的特殊性质，人们设计了多种量子通信协议，用以完成不同的通信任务。主流的量子通信协议一般可分为量子隐形传态（Quantum Teleportation，QT）、量子密集编码（Quantum Dense Coding，QDC）、量子保密通信（Quantum Pravite Communication，QPC）三类，下面将分别进行介绍。
量子隐形传态是以实现量子态的远程传输为目的的一类量子通信协议。在量子隐形传态中，通信前收发双方事先共享一对相互关联的粒子，也称为纠缠态。纠缠态本身具有非局域的量子特性，相距很远的纠缠粒子之间形成了特殊的量子信道。发送端将待传输的未知量子态与共享粒子对的本地粒子进行特定的测量后，将测量结果告知接收端，接收端用户根据这个测量结果对其拥有的粒子进行一次本地的操作后，即可获得发送端待传输的量子态。需要注意的是，在量子隐形传态这个过程中，发送端的实物粒子并未被传送给接收者，而始终留在发送者手中，被传送的仅仅是量子态，发送者甚至可以对这个量子态一无所知。由于经典通信对量子态的隐形传输是必不可少的，而其通信速度不可能快于光速，因此，量子隐形传态并不违背相对论的光速最大原理。
量子密集编码是一种兼顾安全通信和高效通信的一类量子通信协议，其原理是在收、发双方之间事先共享相互关联的光子纠缠对，发送端根据所要发送的信息从四种本地变换中选择一种对其拥有的纠缠光子进行变换然后发往接收端，接收端对接收到的光子和其本地光子进行联合测量，根据测量结果即可得知发送端选择哪种本地变换，使得只传输一个光子可以获得2比特的经典信息。此外，在窃听的一方看来，发送端发出的光子始终是一类不包含信息的最大混合态，因此密集编码协议在理论上是无条件安全的。
在量子保密通信类协议中，还可细分为量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）、量子秘密共享（Quantum Secret Sharing，QSS）、量子安全直接通信（Quantum Secure Direct Communication，QSDC）等协议，其中量子密钥分发获得关注最多同时也最为成熟，因此在本书中如无特殊说明“量子保密通信”专指基于量子密钥分发的保密通信方案。众所周知，在密码体制中，密钥是实现保密通信的关键，发送方用密钥对信息进行加密，将加密后的信息发给接收方，接收方根据密钥恢复原始信息。数学上可以严格证明，若密钥是绝对保密的，且密钥长度与被传送的明文长度相等，那么通信双方的通信是绝对保密的。由此可知，保密通信的核心问题是如何分享密钥并确保其保密性。为解决通过信道或者信使传送密钥时的巨大泄密风险问题，经典密码学发展了一整套基于计算复杂度的密钥分享技术。然而，理论上任何以计算复杂度为基础的密钥分配方案都是可以被攻破的。尤其是在著名的RSA公钥体系被证明可由未来的量子计算机迅速破解之后，寻求一种更安全的密钥分发体制的需求变得更加迫切。量子密钥分发可以有力地解决此问题，通信双方通过共享纠缠或传送量子态的方法实现理论上绝对安全的密钥分发过程，任何窃听行为都会因扰动纠缠或量子态而被及时发现。量子密钥分发从理论和实验上获得了广泛的关注，相关技术已经逐步走出实验室，向着实用化的方向发展。
基于量子信息论和不同的量子通信协议，各种量子通信的实现技术逐步成熟，包括信息发送端的量子信道编码、量子信号产生和调制，以及信息接收端的量子信号探测技术等，由此可以构建完整的量子通信系统。近些年，随着量子中继技术的不断进步和通信网络理论在量子信息领域的应用，量子通信系统正逐步走向大规模网络化应用，未来有可能实现全球的量子通信系统，相关各领域的发展与技术现状详见1.3节所述。1.3 量子通信的发展现状
将量子力学的基本原理用于通信领域是20世纪70年代Stephen Wiesner首先提出来的，遗憾的是他的论文没有获得认可，因而并未正式出版。直到1984年IBM的Bennett和Montreal大学的Brassard提出[Bennett1984]BB84量子保密通信协议以后，量子通信才获得巨大的关注，迄今为止BB84仍是最具影响力的量子保密通信协议。在理论方面，各种协议、方案不断被提出，通信协议的安全性证明不断完善；在实现技术方面，各种调制策略、探测器件等不断得到改善。本节从基于纠缠的量子通信协议与实验、基于单光子的量子通信协议与实验、基于连续变量的量子通信协议与实验、量子中继与星地量子通信、量子通信网络五个方面说明量子通信的发展现状。
1.量子隐形传态和量子密集编码的理论与实验进展
纠缠是量子系统特有的性质，同时也是一种非常重要的通信资源。1993年Bennett等首先提出了基于纠缠光子进行隐形传态的理论协议[Bennett[Żukowski1993]1993]，随后更多的隐形传态的理论协议陆续被提出[Braunstein1998]。1997年Bouwmeester和潘建伟等人首次实现了基于纠缠[Bouwmeester 1997]光子的隐形传态。2010年中国科技大学的潘建伟小组又实现了自由空间16 km量子隐形传态实验，相关内容登上了《Nature [Jin 2010]Photonics》杂志的封面。
1994年Vaidman提出了利用量子光学中的连续变量纠缠也可以实[Vaidman 1994]现量子隐形传态的理论协议。在1998年，Kimble小组提出了[Braunstein 1998][Furusawa 1998]实现连续变量量子态隐形传送的具体实验方案，被评为美国当年的十大科技进展之一。随后，澳大利亚国立大学[Bowen 2003][翟泽辉 2005]及中国的山西大学都成功演示了该实验，2003年[Furusawa 2005]Furusawa小组又成功演示了实现对于压缩态的隐形传送。
密集编码是另外一种基于纠缠的量子通信协议。第一个量子密集[Bennett 1992a]编码通信协议也是由Bennet于1992年提出的，首次在实验[Mattle 1996]上验证量子密集编码通信协议已于1995年由Mattle小组完成。1999年，Ban及其同事提出了利用连续变量纠缠的演示量子密集编码[Ban 1999 ]的具体实验方案，随后由我国山西大学光电研究所的彭堃墀小[Li 2002]组率先实现。
2.量子保密通信的理论与实验进展
在基于单光子的量子保密通信协议方面，继BB84协议之后，[Bennett 1992b]1992年Bennett等提出了基于非正交态的B92协议，但上述协议均需完美的单光子源作为实验实现条件，否则不能抵御光子数分流攻击。针对此问题，韩国和我国的学者独立地提出了诱骗态量子通[Hwang 2003] [Wang 2005]信协议，并证明了诱骗态协议在使用弱激光光源时也是安全的，在此之后的基于单光子的量子保密通信实验验证多是采用诱骗态协议完成的。
基于单光子的量子保密通信协议的第一个实验验证是在1989年由Bennett等实现的，其传输距离仅为30 cm，但是很快就被扩展到了[Muller 1993][Breguet 1994][Muller 1995] 1.1 km而且逐渐走出实验室，出现了23 km[Muller 1996][Stucki 2002]、67 km的室外实验。日内瓦大学的Gisin小组于2009年在250 km的光纤中实现了时间编码的量子保密通信，这是目前通[Stucki 2009]信距离最远的量子保密通信实验，但其安全通信速率只有15 bps。2010年，日本东芝公司剑桥研究所利用相位调制在50 km的光[Dixon 纤中进行了长时间的量子保密通信，安全通信速率达到1 Mbps 2010]，这是量子保密通信的速率新纪录。目前基于单光子的量子保密通信已逐渐趋向成熟并逐渐走向产业化，已有公司推出商品化的量子保密通信设备，如瑞士Id-Quantique公司的Cerberis量子保密通信系统等。
利用纠缠资源也可以实现量子保密通信协议。1991年Ekert提出[Ekert 1991]基于两粒子最大纠缠态的量子保密通信协议。目前在自由空[Ursin 间中，已经成功实现了基于光子偏振态的144 km的量子保密通信2007]。
基于连续变量的量子保密通信协议也被提出和实验验证，[Huttner 1995]Huttner等1995年提出基于连续变量的量子保密通信协议，[Hillery 2000]2000年Hillery提出了基于压缩态的量子保密通信协议。2002年，法国的F. Grosshans和P. Grangier提出了一种将信息加载在相干[Grosshans 态的位置和动量分量上的量子保密通信协议，称为GG02协议2002]。2005年澳大利亚的Pingkoy Lam小组也提出了一种无开关的相干[Lance 2005][symul 2007]态连续变量量子密钥分发方案，并在实验上得以实现。[Leverrier 2009]2009年，P. Grangier小组又提出了一种离散调制的方法，原则上可以将安全距离扩展到100 km以上，2010年我国的国防科技大[Shen 2010]学在自由空间中实现了此种协议。
3.量子中继与星地量子通信进展
为了进一步提高量子通信的距离，两种技术得到发展：一是量子中继器（Quantum Repeater），二是基于卫星的量子通信技术。
量子中继的主要思想是，相距较远的两个节点之间的纠缠可以通过两个距离较近的纠缠态进行纠缠交换得到。对于单光子的量子中继，[Duan 2001]目前已提出了基于拉曼散射的量子中继方案和基于双光子测[Zhao 2007]量的量子中继方案。对于连续变量，已经提出了基于薛定谔[Ourjoumtsev 2009]猫态可以实现非局域的纠缠制备，而且当猫态足够大时，可以利用线性光学器件和可分辨光子数的探测器实现确定的纠缠交换。
虽然在理论研究方面，量子中继技术已提出了多种方案，但在实验方面，量子中继技术的实验验证才刚刚起步。对于纠缠光子的量子中继已经实验成功实现了基于光子测量的纠缠交换，进而建立远距离节点之间的纠缠，例如2008年，潘建伟小组实现了由300 m光纤连接[Yuan 2008]的两个原子系统间的纠缠。对连续变量的量子中继还仅限于[Ourjoumtsev 2009]本地薛定锷猫态的制备实验，未见完成节点间量子中继的实验报道。
在基于卫星的量子通信方面，2008年欧洲的研究团队进行星地量子通信实验，将地面站发出的弱光脉冲发射到轨道高度为1485 km的低轨道卫星，由卫星上的角反射器反射回地面接收机，验证了卫星[Villoresi 2008]和地球之间的单光子传输的可能性。基于卫星的量子通信被认为是很有前景实现全球范围内量子通信的技术路线，已有多个国家政府和军方资助相关研究机构进行深入研究。
4.量子通信网络进展
首个多用户量子通信网络的实验是1997年由Towsend等完成的，该实验将一个量子通信终端作为网络控制器，采用光功分器进行多用[Phoenix 1995]户密钥分发。2003年，Brassard提出一种采用波分复用技术[Brassard 2003]的基于光纤的量子通信网络方案，每个用户采用波长寻址，并用实验验证了采用波分复用不会影响量子通信的性能。
2004年，美国国防部高级研究计划署建成了全球第一个量子通[Elliott 2005]信网络（the DARPA Quantum Network），连接位于BBN公司、哈佛大学和波斯顿大学的6个服务器。2006年Kumavor等在总线型网[Kumavor 2006]络拓扑结构上用实验验证了6个用户的量子密钥分发。2008年10月欧洲联合小组在维也纳建立了SECOQC（Secure Communication based on Quantum Cryptography）量子安全通信网[Peev 2009]络，包含6个节点、8条链路。2010年10月，由日本的多家公司（NEC，Mitsubishi Electric，NTT和NICT）和东芝欧洲研究中心（Toshiba Research Europe Ltd. (UK)）、瑞士ID Quantique、奥地利All Vienna研究组合作建立了东京量子密钥分发网络（Tokyo QKD Network），该网络有6个节点，最快的节点间通信速率达到了304 kbps。
在我国，2007年中国科学技术大学实现了基于波分复用的四用[Chen 2009]户量子通信网络，它是基于现有的光纤通信网络的，最远通信距离达到42.6 km。随后，又实现了3个用户的诱骗态量子通信网络[Chen 2009b]，并且实现了量子保密语音通信。2009年，在芜湖建成了世[许方星 2009]界首个“量子政务网”，设置了4个全通主网节点和三个子网用户节点以及1个用于攻击检测的节点，长为15 km。值得注意的是，2012年中国科学技术大学宣布在合肥建立了46个节点的城域量子通信网络，在北京建立了金融量子通信网络。整体来看，我国的量子通信网络研究走在了世界前列。
量子通信涉及的各项技术发展并不均衡，诸如基于单光子的量子保密通信及其网络化技术已经逐渐步入了实用化和工程化的进程中，而量子中继和量子存储等技术还处于理论研究和实验室验证阶段。然而，21世纪是信息的时代，也是量子的时代，世界各国都在加紧在量子通信领域加大投入，抢占下一轮信息产业革命的制高点，量子通信必将在不远的将来得到更加迅猛的发展。参考文献[Ban 1999] Ban M. Quantum dense coding via a two-mode squeezed-vacuum state. J. Opt. B: Quantum Semiclass, 1999, 1: L9-L11[Bennett-Brassard 1984] Bennett C H and Brassard G. Quantum cryptography: Public-key distribution and coin tossing. Proc. IEEE Int. Conf. on Computers, Systems and Signal Processing Bangalore, India. 1984, 175-179[Bennett 1992a] Bennett C H, Brassard G and Mermin N D. Quantum cryptography without Bell theorem. Phys. Rev. Lett., 1992, 68: 557[Bennett 1992b] Bennett C H. Quantum cryptography using any two nonorthogonal states. Phys. Rev. Lett., 1992, 68: 3121[Bennett 1993] Bennett C H, Brassard G, Crepeau C, Jozsa R, Peres A and Wooters W K. Teleporting an unknown quantum state via dual classic and Einstein-Podolsky-Rosen channels. Phys. Rev. Lett., 1993, 70: 1895-1899[Bouwmeester 2000] Bouwmeester D, Ekert A and Zeilinger A. The Physics of Quantum Information: quanutm cryptography, quanutm teleportation, quanutm computation, Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2000[Bowen 2003] Bowen W P, Treps N, Buchler B C, Schnabel R, Ralph T C, Bachor H A, Symul T and Lam P K. Experimental investigation of continuous variable quantum teleportation. Phys. Rev. A, 2003, 67: 032302[Brassard 2003] Brassard G, Bussieres F, Godbout N, et al. Multi-user
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