量子通信技術

　　量子通信技術【1】

　　【摘要】量子通信作為既新鮮又古老的話題，它具有嚴格的信息傳輸特性，目前已經取得突破性進展，被通信領域和官方機構廣泛關注。

　　本文結合量子，對量子通信技術以及發展進行了簡單的探討。

　　【關鍵詞】量子;通信;技術;發展

　　對量子信息進行研究是將量子力學作為研究基礎，根據量子并行、糾纏以及不可克隆特性，探索量子編碼、計算、傳輸的可能性，以新途徑、思路、概念打破原有的芯片極限。

　　從本質來說：量子信息是在量子物理觀念上引發的效應。

　　它的優勢完全來源于量子并行，量子糾纏中的相干疊加為量子通訊提供了依據，量子密碼更多的取決于波包塌縮。

　　理論上，量子通信能夠實現通信過程，最初是通過光纖實現的，由于光纖會受到自身與地理條件限制，不能實現遠距離通信，所以不利于全球化。

　　到1993年，隱形傳輸方式被提出，通過創建脫離實物的量子通信，用量子態進行信息傳輸，這就是原則上不能破譯的技術。

　　但是，我們應該看到，受環境噪聲影響，量子糾纏會隨著傳輸距離的拉長效果變差。

　　一、量子通信技術

　　(一)量子通信定義

　　到目前為止，量子通信依然沒有準確的定義。

　　從物力角度來看，它可以被理解為物力權限下，通過量子效應進行性能較高的通信;從信息學來看，量子通信是在量子力學原理以及量子隱形傳輸中的特有屬性，或者利用量子測量完成信息傳輸的過程。

　　從量子基本理論來看，量子態是質子、中子、原子等粒子的具體狀態，可以代表粒子旋轉、能量、磁場和物理特性，它包含量子測不準原理和量子糾纏，同時也是現代物理學的重點。

　　量子糾纏是來源一致的一對微觀粒子在量子力學中的糾纏關系，同時這也是通過量子進行密碼傳遞的基礎。

　　Heisenberg測不準原理作為力學基本原理，是同一時刻用相同精度對量子動量以及位置的測量，但是只能精確測定其中的一樣結果。

　　(二)量子通信原理

　　量子通信素來具有速度快、容量大、保密性好等特征，它的過程就是量子力學原理的展現。

　　從最典型的通信系統來說具體包含：量子態、量子測量容器與通道，擁有量子效應的有：原子、電子、光子等，它們都可以作為量子通信的信號。

　　在這過程中，由于光信號擁有一定的傳輸性，所以常說的量子通信都是量子光通信。

　　分發單光子作為實施量子通信空間的依據，利用空間技術能夠實現空間量子的全球化通信，并且克服空間鏈路造成的距離局限。

　　利用糾纏量子中的隱形量子傳輸技術作為未來量子通信的核心，它的工作原理是：利用量子力學，由兩個光子構成糾纏光子，不管它們在宇宙中距離多遠，都不能分割狀態。

　　如果只是單獨測量一個光子情況，可能會得到完全隨機的測量結果;如果利用海森堡的測不準原理進行測量，只要測量一個光子狀態，縱使它已經發生變化，另一個光子也會出現類似的變化，也就是塌縮。

　　根據這一研究成果，Alice利用隨機比特，隨機轉換已有的量子傳輸狀態，在多次傳輸中，接受者利用量子信道接收;在對每個光子進行測量時，同時也隨機改變了自己的基，一旦兩人的基一樣，一對互補隨機數也就產生。

　　如果此時偷聽者偷聽，就會破壞糾纏光子對，Alice與Bob也就發覺，所以運用這種方式進行通信是安全的。

　　(三)量子密碼技術

　　從Heisenberg測不準原理我們可以知道，偷聽不可能得到有效信息，與此同時，偷聽量子信號也將會留下痕跡，讓通信方察覺。

　　密碼技術通過這一原理判別是否存在有人竊取密碼信息，保障密碼安全。

　　而密鑰分配的基本原理則來源于偏振，在任意時刻，光子的偏振方向都擁有一定的隨機性，所以需要在糾纏光子間分設偏振片。

　　如果光子偏振片與偏振方向夾角較小時，通過濾光器偏振的幾率很大，反之偏小。

　　尤其是夾角為90度時，概率為0;夾角為45度時，概率是0.5，夾角是0度時，概率就是1;然后利用公開渠道告訴對方旋轉方式，將檢測到的光子標記為1，沒有檢測到的填寫0，而雙方都能記錄的二進制數列就是密碼。

　　對于半路監聽的情況，在設置偏振片的同時，偏振方向的改變，這樣就會讓接受者與發送者數列出現差距。

　　(四)量子通信的安全性

　　從典型的數字通信來說：對信息逐比特，并且完全加密保護，這才是實質上的安全通信。

　　但是它不能完全保障信息安全，在長度有限的密文理論中，經不住窮舉法影響。

　　同時，偽隨機碼的周期性，在重復使用密鑰時，理論上能夠被解碼，只是周期越長，解碼破譯難度就會越大。

　　如果將長度有限的隨機碼視為密鑰，長期使用雖然也會具有周期特征，但是不能確保安全性。

　　從傳統的通信保密系統來看，使用的是線路加密與終端加密整合的方式對其保護。

　　電話保密網，是在話音終端上利用信息通信進行加密保護，而工作密鑰則是偽隨機碼。

　　二、量子通信應用與發展

　　和傳統通信相比，量子通信具有很多優勢，它具有良好的抗干擾能力，并且不需要傳統信道，量子密碼安全性很高，一般不能被破譯，線路時延接近0，所以具有很快的傳輸速度。

　　目前，量子通信已經引起很多軍方和國家政府的關注。

　　因為它能建立起無法破譯的系統，所以一直是日本、歐盟、美國科研機構發展與研究的內容。

　　在城域通信分發與生成系統中，通過互聯量子路由器，不僅能為任意量子密碼機構成量子密碼，還能為成對通信保密機利用，它既能用于逐比特加密，也能非實時應用。

　　在嚴格的專網安全通信中，通過以量子分發系統和密鑰為支撐，在城域范疇，任何兩個用戶都能實現逐比特密鑰量子加密通信，最后形成安全性有保障的通信系統。

　　在廣域高的通信網絡中，受傳輸信道中的長度限制，它不可能直接創建出廣域的通信網絡。

　　如果分段利用量子密鑰進行實時加密，就能形成安全級別較高的廣域通信。

　　它的缺點是，不能全程端與端的加密，加密節點信息需要落地，所以存在安全隱患。

　　目前，隨著空間光信道量子通信的成熟，在天基平臺建立好后，就能實施范圍覆蓋，從而拓展量子信道傳輸。

　　在這過程中，一旦量子中繼與存儲取得突破，就能進一步拉長量子信道的輸送距離，并且運用到更寬的領域。

　　例如：在潛安全系統中，深海潛艇與岸基指揮一直是公認的世界難題，只有運用甚長波進行系統通信，才能實現幾百米水下通信，如果只是使用傳統的加密方式，很難保障安全性，而利用量子隱形和存儲將成為開辟潛通的新途徑。

　　三、結束語

　　量子技術的應用與發展，作為現代科學與物理學的進步標志之一，它對人類發展以及科學建設都具有重要作用。

　　因此，在實際工作中，必須充分利用通信技術，整合國內外發展經驗，從各方面推進量子通信技術發展。

　　參考文獻

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　　量子通信技術發展及應用【2】

　　【關鍵詞】量子比特 量子糾纏 隱形傳態 現狀及發展

　　隨著科學技術的迅猛發展，量子通信作為后摩爾時代的新技術，會逐漸走進人們的生活，尤其在金融、國防、信息安全等方面的應用將做出巨大的貢獻。

　　目前我國已經在光纖量子通信、空間量子隱形傳態、糾纏分發和量子存儲等關鍵技術方面取得了一些具有國際先進水平的科研成果，整體發展水平居于世界前列。

　　1 量子通信簡介

　　量子通信的概念是由美國科學家C.H.Bennett于1993年提出的，他指出量子通信是由量子態攜帶信息的通信方式，是利用光子等基本粒子的量子糾纏原理實現保密通信過程。

　　量子通信的最大優點是其具有理論上的無條件、安全性和高效性。

　　它對金融、電信、軍事等領域有極其重要的意義，目前在實際應用中已經獲得了一定的發展。

　　量子通信主要有量子密鑰分配、量子隱形傳態、量子安全直接通信和量子機密共享等。

　　2 量子信息的基本概念

　　2.1 量子

　　量子是構成物質的最基本單元，是能量的最基本攜帶者，其基本特征是不可分割性。

　　2.2 量子比特

　　量子比特(quantum bit，簡寫為qubit或qbit)，與經典比特(bit)只能處在“0”或“1”的某一種狀態不同，量子比特既可能處于0態，也可能處于1態，還可能處于這兩個態的疊加態。

　　量子比特的實現最常采用的是以光信號為載體，還可以是電子、原子核、超導線路和量子點等載體。

　　光信號主要包括單光子和連續變量。

　　單光子可以用垂直偏振和45°偏振表示量子比特|0>，用水平偏振和135°偏振表示量子比特|1>，還可以用光子的相位和光脈沖中的光子數來表示量子比特。

　　連續變量可以用廣義位置和廣義動量的取值來表示量子比特。

　　2.3 量子糾纏

　　糾纏是量子粒子之間的連接，是宇宙的結構單元。

　　在量子力學中能夠制備這樣兩個糾纏的粒子態，當一個粒子發生變化，立即在另一個粒子中反映出來，――不管它們之間相隔多遠。

　　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強關聯。

　　1982年，法國物理學家愛倫.愛斯派克特和他的小組成功地完成了微觀粒子“量子糾纏”現象確實存在的實驗。

　　實驗證實了愛因斯坦的“幽靈”――超距作用的存在，證實了任何兩種物質之間不管距離多遠，都有可能相互影響，不受四維時空的約束，是非局域的。

　　量子糾纏反映了量子理論的基本特性：相干性、或然性和空間非定域性。

　　這些特性已經廣泛應用于量子通信中，實現基于糾纏的量子密鑰分發、量子秘密共享、密集編碼和隱形傳態等。

　　2.4 量子隱形傳態

　　量子隱形傳態是將量子糾纏特性作為通信信道使用，從而實現任意未知量子態傳輸的一種技術，它傳輸的不再是經典信息而是量子態攜帶的量子信息。

　　量子隱形傳態示意圖如圖1。

　　量子隱形傳態的基本原理，就是對待傳送的未知量子態與EPR對的其中一個粒子實施聯合Bell基測量，由于EPR對的量子非局域關聯性，此時未知態的全部量子信息將會“轉移”到EPR對的第二個粒子上，根據經典通道傳送的Bell基測量結果，對EPR的第二個粒子的量子態進行相應的幺正變換，使之變為與所傳送的未知態完全相同的量子態，從而達到量子態的轉移。

　　在傳送過程中，原物始終留在發送者處，接收者是將別的物質單元制備成為與原物完全相同的量子態，雙方對這個量子態一無所知。

　　經典信道傳送的是發送者的測量結果，不包含未知態的任何內容。

　　2.5 量子通信協議

　　量子通信協議是指量子通信的雙方完成通信或服務所必須遵循的規則和約定。

　　量子通信協議按照通信任務目標可分為隱形傳態、密集編碼和量子保密通信協議。

　　BB84協議是最早提出的量子保密通信協議，也是最接近實用化的量子通信協議。

　　BB84協議示意圖如圖2。

　　BB84協議使得兩個經過認證的通信雙方在遙遠的兩地可以連續地建立密鑰，進而通過一次一密密碼本加密協議實現安全通信。

　　它以“海森堡不確定性原理”和“未知量子態的不可克隆性”的特性為基礎，開辟了密鑰分發和保密通信的方向。

　　目前BB84協議正在向性能穩定、高速成碼、網絡化的產業化方向發展。

　　3 量子通信的幾種技術簡介

　　3.1 量子信號的產生技術

　　量子信號的產生技術包括糾纏光子信號的產生技術、單光子信號的產生技術和連續變量量子信號的產生技術。

　　用光子晶體光纖產生糾纏的技術，系統有穩定、易于集成的優點，在未來的中短距離量子通信中，將占主導地位。

　　目前技術上較為成熟的弱相干準單光子源技術被廣泛用來實現BB84等量子保密通信協議。

　　壓縮態、糾纏態、相干態產生技術是連續變量量子信號產生技術，用來實現連續變量量子通信協議。

　　3.2 量子信號的調制技術

　　在量子通信中，不同的量子態資源決定了不同的量子信號調制方式。

　　單光子量子信號的調制常用偏振調制、相位調制和頻率調制，連續變量量子信號的調制常用高斯調制和離散調制。

　　3.3 量子信號的探測技術

　　在量子通信系統中，接收端中最重要的器件是量子信號探測系統。

　　單光子探測器屬于量子通信系統中的單光子信號探測技術，半導體雪崩光電二極管單光子探測器是實際系統中用得比較多的單光子探測技術。

　　連續變量量子通信是將信息加載到光場的正交振幅和正交相位上的，它不同于單光子只是一個單純的強度測量，而是需要借助一束本地光進行干涉測量。

　　平衡零拍探測器是專門進行光場兩正交分量測量的連續變量體系的探測技術。

　　3.4 量子中繼技術

　　由于量子信號的不可克隆性，量子通信無法直接采用經典通信中“恢復――放大”的過程，而非定域的糾纏態是量子通信的重要資源，利用遠距離分發糾纏粒子之間的非局域性可以實現隱形傳態、密集編碼等一系列量子通信協議。

　　量子糾纏具有可交換性，采用基于糾纏交換的中繼方案可以解決長距離通信的問題。

　　量子中繼示意圖如圖3。

　　3.5 量子通信網絡技術

　　在量子通信網絡中，主要有量子空分交換技術、量子時分交換技術、量子波分交換技術等。

　　量子空分交換是通過改變光量子信號的物理傳輸通道來實現光量子信號的交換;量子時分交換是在時間同步的基礎上對光量子信號進行時分復用而進行的交換;量子波分交換是將光量子信號經過波分解復用器、波長變換器、波長濾波器、波分復用器而進行的交換。

　　量子通信網絡有三個功能層面：量子通信網絡管理層、量子通信控制層和傳輸信道層。

　　由量子通信控制層進行呼叫連接處理、信道資源管理和建立路由，進而控制光纖通道建立端到端量子信道，管理層負責資源和鏈路等的管理，控制層和管理層的功能由經典通信鏈路完成。

　　4 量子通信的現狀和發展趨勢

　　目前，量子通信在單光子、量子探測、量子存儲等關鍵技術已獲得突破和發展，各種量子理論體系日趨完善，量子通信技術已逐步進入試點應用階段。

　　當今，美國、德國、日本等各國都投入了重金大力研究量子通信技術，我國也取得了豐碩的成果，在部分領域甚至世界領先，這必將促進我國經濟的快速發展。

　　2012年初，我國中科院士潘建偉帶領的技術團隊，在合肥建成了國際上首個規模化的節點數達46個的城域量子通信網絡。

　　從2012年開始，我國還構建了基于量子通信的高安全通信保障系統，在北京已經投入永久運營，為十八大、2015年9.3閱兵都提供了重要的信息安全保障。

　　2016年底，北京和上海之間將建成一條全長2000余公里的量子保密通信骨干線路“京滬干線”，它是連接北京、上海的高可信、可擴展、軍民融合的廣域光纖量子通信網絡，主要開展遠距離、大尺度量子保密通信關鍵驗證、應用和示范。

　　此干線可以實現遠程高清量子保密視頻會議系統和其他多媒體跨越互聯應用，也可以實現金融、政務領域的遠程或同城數據災備系統，金融機構數據采集系統等應用。

　　2016年7月份中國將發射全球首顆量子科學實驗通訊衛星，這標志著我國通信技術的突破性發展，標志著中國同時在軍用通信領域站在了世界的最前列，之后會陸續發射的更多量子通訊衛星，就可以建成全球性的量子通信網絡。

　　正如潘建偉院士所說量子科學實驗衛星的發射，將表明中國正從經典信息技術的跟隨者，轉變成未來信息技術的并跑者、領跑者，量子通信將會盡快走進每個人的生活，就像計算機曾經做到的一樣，改變世界。

　　量子通訊衛星和“京滬干線”的成功將意味著一個天地一體化的量子通信網絡的形成。

　　量子通信與傳統的經典通信相比，具有極高的安全性和保密性，且時效性高傳輸速度快，沒有電磁輻射，它的這些優點決定了其無法估量的應用前景。

　　通過光纖可以實現城域量子通信網絡，通過中繼器連接實現城際量子網絡，通過衛星中轉實現遠距離量子通信，最終構成廣域量子通信網絡。

　　未來數年內，量子通信將會實現大規模應用，經典通信的硬件設施并不會被完全取代，而是在現有設施的基礎上進行融合。

　　在通信發送端和接收端安裝單光子探測器、量子網關等量子加密設備，即可在電話、傳真、光纖網絡等原有的通信網絡中實現量子通信，這將大大地提升通信的安全性。

　　量子通信有望在10到15年之后成為繼電子和光電子之后的新一代通信技術，這種“無條件安全”的通信方式，將從根本上解決國防、金融、政務、商業等領域的信息安全問題。

　　5 結束語

　　展望量子通信的前景，未來能夠形成天地一體化的全球量子通信網絡，形成完整的量子通信產業鏈和下一代國家主權信息安全生態系統，構建基于量子通信安全保障的互聯網。

　　對于通信維護人員來說，就應該緊跟時代的步伐，加快學習新技術、新知識，以適應科技發展的需要，將所學所知更好地運用于我們的實際工作和生活中。

　　參考文獻

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