在科幻小說《星際旅行》中，星球戰(zhàn)士可以在某一地點(diǎn)突然消失，而瞬間之后卻出現(xiàn)在遙遠(yuǎn)的另一地點(diǎn)。那么，現(xiàn)實(shí)生活中是否存在某種手段，可以把某一客體以最快捷的方式輸送到遙遠(yuǎn)的另一地點(diǎn)呢？如果有，那是一種什么樣的手段呢？量子信息學(xué)研究，正是實(shí)現(xiàn)這種“遠(yuǎn)程傳送”幻想前的最腳踏實(shí)地的基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)研究——要想實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程瞬間傳送，必須找到相距遙遠(yuǎn)的兩個(gè)客體之間的感應(yīng)狀態(tài)以及信息隱性傳輸?shù)姆绞?。這一研究，首先必須從微觀世界的分子、原子、粒子層面做起。在微觀世界里，存在著一種“量子糾纏”現(xiàn)象，即不論兩個(gè)粒子間的距離多遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的任何變化都會(huì)影響到另一個(gè)粒子，讓另一個(gè)粒子獲得“感應(yīng)”，這種現(xiàn)象也被愛因斯坦稱為“遙遠(yuǎn)地點(diǎn)間幽靈般的相互作用”。于是，“多粒子糾纏態(tài)的制備與操縱”成為近年來國(guó)際上量子物理與量子信息研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

       量子信息傳輸?shù)倪h(yuǎn)景意義還不僅在于星際旅行，它對(duì)研制功能強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)和實(shí)現(xiàn)‘萬無一失’的通信保密系統(tǒng)，也具有非常誘人的應(yīng)用前景。

       現(xiàn)在的信息時(shí)代，研究量子計(jì)算機(jī)帶來最大的好處就是用同樣速度計(jì)算機(jī)來化解400位自然數(shù)的話，用世界最快的計(jì)算機(jī)要算100億年，如果量子計(jì)算機(jī)研制出來只要算一分鐘。所以這會(huì)給我們的信息帶來新的革命。

       量子密碼術(shù)是密碼術(shù)與量子力學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，它利用了系統(tǒng)所具有的量子性質(zhì)。首先想到將量子物理用于密碼術(shù)的是美國(guó)科學(xué)家威斯納。威斯納于1970年提出，可利用單量子態(tài)制造不可偽造的“電子鈔票”。但這個(gè)設(shè)想的實(shí)現(xiàn)需要長(zhǎng)時(shí)間保存單量子態(tài)，不太現(xiàn)實(shí)。貝內(nèi)特和布拉薩德在研究中發(fā)現(xiàn)，單量子態(tài)雖然不好保存但可用于傳輸信息。1984年，貝內(nèi)特和布拉薩德提出了第一個(gè)量子密碼術(shù)方案，稱為BB84方案，由此迎來了量子密碼術(shù)的新時(shí)期。1992年，貝內(nèi)特又提出一種更簡(jiǎn)單，但效率減半的方案，即B92方案。量子密碼術(shù)并不用于傳輸密文，而是用于建立、傳輸密碼本。根據(jù)量子力學(xué)的不確定性原理以及量子不可克隆定理，任何竊聽者的存在都會(huì)被發(fā)現(xiàn)，從而保證密碼本的絕對(duì)安全，也就保證了加密信息的絕對(duì)安全。最初的量子密碼通信利用的都是光子的偏振特性，目前主流的實(shí)驗(yàn)方案則用光子的相位特性進(jìn)行編碼。目前，在量子密碼術(shù)實(shí)驗(yàn)研究上進(jìn)展最快的國(guó)家為英國(guó)、瑞士和美國(guó)、中國(guó)。英國(guó)國(guó)防研究部于1993年首先在光纖中實(shí)現(xiàn)了基于BB84方案的相位編碼量子密鑰分發(fā)，光纖傳輸長(zhǎng)度為10公里。這項(xiàng)研究后來轉(zhuǎn)到英國(guó)通訊實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，到1995年，經(jīng)多方改進(jìn)，在30公里長(zhǎng)的光纖傳輸中成功實(shí)現(xiàn)了量子密鑰分發(fā)。與偏振編碼相比，相位編碼的好處是對(duì)光的偏振態(tài)要求不那么苛刻。在長(zhǎng)距離的光纖傳輸中，光的偏振性會(huì)退化，造成誤碼率的增加。然而，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)1993年基于BB84方案的偏振編碼方案，在1.1公里長(zhǎng)的光纖中傳輸1.3微米波長(zhǎng)的光子，誤碼率僅為0.54％，并于1995年在日內(nèi)瓦湖底鋪設(shè)的23公里長(zhǎng)民用光通信光纜中進(jìn)行了實(shí)地表演，誤碼率為3.4％。1997年，他們利用法拉第鏡消除了光纖中的雙折射等影響因素，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性和使用的方便性大大提高，被稱為“即插即用”的量子密碼方案。美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，創(chuàng)造了目前光纖中量子密碼通信距離的新紀(jì)錄。他們采用類似英國(guó)的實(shí)驗(yàn)裝置，通過先進(jìn)的電子手段，以B92方案成功地在長(zhǎng)達(dá)48公里的地下光纜中傳送量子密鑰，同時(shí)他們?cè)谧杂煽臻g里也獲得了成功。1999年，瑞典和日本合作，在光纖中成功地進(jìn)行了40公里的量子密碼通信實(shí)驗(yàn)。在中國(guó)，中科院物理所于1995年以BB84方案在國(guó)內(nèi)首次做了演示性實(shí)驗(yàn)，華東師范大學(xué)用B92方案做了實(shí)驗(yàn)，但也是在距離較短的自由空間里進(jìn)行的。1997年，中國(guó)科大潘建偉在世界上首次成功地實(shí)現(xiàn)了量子態(tài)隱形傳送。2000年，中科院物理所與研究生院合作，在850納米的單模光纖中完成了1.1公里的量子密碼通信演示性實(shí)驗(yàn)。2003年中國(guó)科大潘建偉在世界上首次成功實(shí)現(xiàn)了自由量子態(tài)隱形傳輸以及糾纏交換；首次實(shí)現(xiàn)了未來長(zhǎng)程量子通訊的關(guān)鍵器件——糾纏態(tài)等很多理論和實(shí)踐上的突破,在多光子糾纏操縱方面在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位。2005年底，中國(guó)科大郭光燦等在國(guó)際上首次解決了量子密鑰分配過程的穩(wěn)定性問題，經(jīng)由實(shí)際通信光路實(shí)現(xiàn)了125公里單向量子密鑰分配，成為迄今國(guó)際上公開報(bào)道的最長(zhǎng)距離的實(shí)用光纖量子密碼系統(tǒng)。

       量子力學(xué)的研究進(jìn)展導(dǎo)致了新興交叉學(xué)科——量子信息學(xué)的誕生，為信息科學(xué)展示了美好的前景。人類在20世紀(jì)能夠精確地操控航天飛機(jī)和搬動(dòng)單個(gè)原子，但卻未能掌握操控量子態(tài)的有效方法。在21世紀(jì)，人類應(yīng)積極致力于量子技術(shù)的開發(fā)，推動(dòng)科學(xué)和技術(shù)更迅速地發(fā)展。