量子通信技术
量子通信技术【1】
【摘要】量子通信作为既新鲜又古老的话题，它具有严格的信息传输特性，目前已经取得突破性进展，被通信领域和官方机构广泛关注。
本文结合量子，对量子通信技术以及发展进行了简单的探讨。
【关键词】量子;通信;技术;发展
对量子信息进行研究是将量子力学作为研究基础，根据量子并行、纠缠以及不可克隆特性，探索量子编码、计算、传输的可能性，以新途径、思路、概念打破原有的芯片极限。
从本质来说：量子信息是在量子物理观念上引发的效应。
它的优势完全来源于量子并行，量子纠缠中的相干叠加为量子通讯提供了依据，量子密码更多的取决于波包塌缩。
理论上，量子通信能够实现通信过程，最初是通过光纤实现的，由于光纤会受到自身与地理条件限制，不能实现远距离通信，所以不利于全球化。
到1993年，隐形传输方式被提出，通过创建脱离实物的量子通信，用量子态进行信息传输，这就是原则上不能破译的技术。
但是，我们应该看到，受环境噪声影响，量子纠缠会随着传输距离的拉长效果变差。
一、量子通信技术
(一)量子通信定义
到目前为止，量子通信依然没有准确的定义。
从物力角度来看，它可以被理解为物力权限下，通过量子效应进行性能较高的通信;从信息学来看，量子通信是在量子力学原理以及量子隐形传输中的特有属性，或者利用量子测量完成信息传输的过程。
从量子基本理论来看，量子态是质子、中子、原子等粒子的具体状态，可以代表粒子旋转、能量、磁场和物理特性，它包含量子测不准原理和量子纠缠，同时也是现代物理学的重点。
量子纠缠是来源一致的一对微观粒子在量子力学中的纠缠关系，同时这也是通过量子进行密码传递的基础。
Heisenberg测不准原理作为力学基本原理，是同一时刻用相同精度对量子动量以及位置的测量，但是只能精确测定其中的一样结果。
(二)量子通信原理
量子通信素来具有速度快、容量大、保密性好等特征，它的过程就是量子力学原理的展现。
从最典型的通信系统来说具体包含：量子态、量子测量容器与通道，拥有量子效应的有：原子、电子、光子等，它们都可以作为量子通信的信号。
在这过程中，由于光信号拥有一定的传输性，所以常说的量子通信都是量子光通信。
分发单光子作为实施量子通信空间的依据，利用空间技术能够实现空间量子的全球化通信，并且克服空间链路造成的距离局限。
利用纠缠量子中的隐形量子传输技术作为未来量子通信的核心，它的工作原理是：利用量子力学，由两个光子构成纠缠光子，不管它们在宇宙中距离多远，都不能分割状态。
如果只是单独测量一个光子情况，可能会得到完全随机的测量结果;如果利用海森堡的测不准原理进行测量，只要测量一个光子状态，纵使它已经发生变化，另一个光子也会出现类似的变化，也就是塌缩。
根据这一研究成果，Alice利用随机比特，随机转换已有的量子传输状态，在多次传输中，接受者利用量子信道接收;在对每个光子进行测量时，同时也随机改变了自己的基，一旦两人的基一样，一对互补随机数也就产生。
如果此时偷听者偷听，就会破坏纠缠光子对，Alice与Bob也就发觉，所以运用这种方式进行通信是安全的。
(三)量子密码技术
从Heisenberg测不准原理我们可以知道，偷听不可能得到有效信息，与此同时，偷听量子信号也将会留下痕迹，让通信方察觉。
密码技术通过这一原理判别是否存在有人窃取密码信息，保障密码安全。
而密钥分配的基本原理则来源于偏振，在任意时刻，光子的偏振方向都拥有一定的随机性，所以需要在纠缠光子间分设偏振片。
如果光子偏振片与偏振方向夹角较小时，通过滤光器偏振的几率很大，反之偏小。
尤其是夹角为90度时，概率为0;夹角为45度时，概率是0.5，夹角是0度时，概率就是1;然后利用公开渠道告诉对方旋转方式，将检测到的光子标记为1，没有检测到的填写0，而双方都能记录的二进制数列就是密码。
对于半路监听的情况，在设置偏振片的同时，偏振方向的改变，这样就会让接受者与发送者数列出现差距。
(四)量子通信的安全性
从典型的数字通信来说：对信息逐比特，并且完全加密保护，这才是实质上的安全通信。
但是它不能完全保障信息安全，在长度有限的密文理论中，经不住穷举法影响。
同时，伪随机码的周期性，在重复使用密钥时，理论上能够被解码，只是周期越长，解码破译难度就会越大。
如果将长度有限的随机码视为密钥，长期使用虽然也会具有周期特征，但是不能确保安全性。
从传统的通信保密系统来看，使用的是线路加密与终端加密整合的方式对其保护。
电话保密网，是在话音终端上利用信息通信进行加密保护，而工作密钥则是伪随机码。
二、量子通信应用与发展
和传统通信相比，量子通信具有很多优势，它具有良好的抗干扰能力，并且不需要传统信道，量子密码安全性很高，一般不能被破译，线路时延接近0，所以具有很快的传输速度。
目前，量子通信已经引起很多军方和国家政府的关注。
因为它能建立起无法破译的系统，所以一直是日本、欧盟、美国科研机构发展与研究的内容。
在城域通信分发与生成系统中，通过互联量子路由器，不仅能为任意量子密码机构成量子密码，还能为成对通信保密机利用，它既能用于逐比特加密，也能非实时应用。
在严格的专网安全通信中，通过以量子分发系统和密钥为支撑，在城域范畴，任何两个用户都能实现逐比特密钥量子加密通信，最后形成安全性有保障的通信系统。
在广域高的通信网络中，受传输信道中的长度限制，它不可能直接创建出广域的通信网络。
如果分段利用量子密钥进行实时加密，就能形成安全级别较高的广域通信。
它的缺点是，不能全程端与端的加密，加密节点信息需要落地，所以存在安全隐患。
目前，随着空间光信道量子通信的成熟，在天基平台建立好后，就能实施范围覆盖，从而拓展量子信道传输。
在这过程中，一旦量子中继与存储取得突破，就能进一步拉长量子信道的输送距离，并且运用到更宽的领域。
例如：在潜安全系统中，深海潜艇与岸基指挥一直是公认的世界难题，只有运用甚长波进行系统通信，才能实现几百米水下通信，如果只是使用传统的加密方式，很难保障安全性，而利用量子隐形和存储将成为开辟潜通的新途径。
三、结束语
量子技术的应用与发展，作为现代科学与物理学的进步标志之一，它对人类发展以及科学建设都具有重要作用。
因此，在实际工作中，必须充分利用通信技术，整合国内外发展经验，从各方面推进量子通信技术发展。
参考文献
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量子通信技术发展及应用【2】
【关键词】量子比特 量子纠缠 隐形传态 现状及发展
随着科学技术的迅猛发展，量子通信作为后摩尔时代的'新技术，会逐渐走进人们的生活，尤其在金融、国防、信息安全等方面的应用将做出巨大的贡献。
目前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面取得了一些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。
1 量子通信简介
量子通信的概念是由美国科学家C.H.Bennett于1993年提出的，他指出量子通信是由量子态携带信息的通信方式，是利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程。
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。
它对金融、电信、军事等领域有极其重要的意义，目前在实际应用中已经获得了一定的发展。
量子通信主要有量子密钥分配、量子隐形传态、量子安全直接通信和量子机密共享等。
2 量子信息的基本概念
2.1 量子
量子是构成物质的最基本单元，是能量的最基本携带者，其基本特征是不可分割性。
2.2 量子比特
量子比特(quantum bit，简写为qubit或qbit)，与经典比特(bit)只能处在“0”或“1”的某一种状态不同，量子比特既可能处于0态，也可能处于1态，还可能处于这两个态的叠加态。
量子比特的实现最常采用的是以光信号为载体，还可以是电子、原子核、超导线路和量子点等载体。
光信号主要包括单光子和连续变量。
单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>，还可以用光子的相位和光脉冲中的光子数来表示量子比特。
连续变量可以用广义位置和广义动量的取值来表示量子比特。
2.3 量子纠缠
纠缠是量子粒子之间的连接，是宇宙的结构单元。
在量子力学中能够制备这样两个纠缠的粒子态，当一个粒子发生变化，立即在另一个粒子中反映出来，――不管它们之间相隔多远。
量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间的非定域非经典的强关联。
1982年，法国物理学家爱伦.爱斯派克特和他的小组成功地完成了微观粒子“量子纠缠”现象确实存在的实验。
实验证实了爱因斯坦的“幽灵”――超距作用的存在，证实了任何两种物质之间不管距离多远，都有可能相互影响，不受四维时空的约束，是非局域的。
量子纠缠反映了量子理论的基本特性：相干性、或然性和空间非定域性。
这些特性已经广泛应用于量子通信中，实现基于纠缠的量子密钥分发、量子秘密共享、密集编码和隐形传态等。
2.4 量子隐形传态
量子隐形传态是将量子纠缠特性作为通信信道使用，从而实现任意未知量子态传输的一种技术，它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息。
量子隐形传态示意图如图1。
量子隐形传态的基本原理，就是对待传送的未知量子态与EPR对的其中一个粒子实施联合Bell基测量，由于EPR对的量子非局域关联性，此时未知态的全部量子信息将会“转移”到EPR对的第二个粒子上，根据经典通道传送的Bell基测量结果，对EPR的第二个粒子的量子态进行相应的幺正变换，使之变为与所传送的未知态完全相同的量子态，从而达到量子态的转移。
在传送过程中，原物始终留在发送者处，接收者是将别的物质单元制备成为与原物完全相同的量子态，双方对这个量子态一无所知。
经典信道传送的是发送者的测量结果，不包含未知态的任何内容。
2.5 量子通信协议
量子通信协议是指量子通信的双方完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。
量子通信协议按照通信任务目标可分为隐形传态、密集编码和量子保密通信协议。
BB84协议是最早提出的量子保密通信协议，也是最接近实用化的量子通信协议。
BB84协议示意图如图2。
BB84协议使得两个经过认证的通信双方在遥远的两地可以连续地建立密钥，进而通过一次一密密码本加密协议实现安全通信。
它以“海森堡不确定性原理”和“未知量子态的不可克隆性”的特性为基础，开辟了密钥分发和保密通信的方向。
目前BB84协议正在向性能稳定、高速成码、网络化的产业化方向发展。
3 量子通信的几种技术简介
3.1 量子信号的产生技术
量子信号的产生技术包括纠缠光子信号的产生技术、单光子信号的产生技术和连续变量量子信号的产生技术。
用光子晶体光纤产生纠缠的技术，系统有稳定、易于集成的优点，在未来的中短距离量子通信中，将占主导地位。
目前技术上较为成熟的弱相干准单光子源技术被广泛用来实现BB84等量子保密通信协议。
压缩态、纠缠态、相干态产生技术是连续变量量子信号产生技术，用来实现连续变量量子通信协议。
3.2 量子信号的调制技术
在量子通信中，不同的量子态资源决定了不同的量子信号调制方式。
单光子量子信号的调制常用偏振调制、相位调制和频率调制，连续变量量子信号的调制常用高斯调制和离散调制。
3.3 量子信号的探测技术
在量子通信系统中，接收端中最重要的器件是量子信号探测系统。
单光子探测器属于量子通信系统中的单光子信号探测技术，半导体雪崩光电二极管单光子探测器是实际系统中用得比较多的单光子探测技术。
连续变量量子通信是将信息加载到光场的正交振幅和正交相位上的，它不同于单光子只是一个单纯的强度测量，而是需要借助一束本地光进行干涉测量。
平衡零拍探测器是专门进行光场两正交分量测量的连续变量体系的探测技术。
3.4 量子中继技术
由于量子信号的不可克隆性，量子通信无法直接采用经典通信中“恢复――放大”的过程，而非定域的纠缠态是量子通信的重要资源，利用远距离分发纠缠粒子之间的非局域性可以实现隐形传态、密集编码等一系列量子通信协议。
量子纠缠具有可交换性，采用基于纠缠交换的中继方案可以解决长距离通信的问题。
量子中继示意图如图3。
3.5 量子通信网络技术
在量子通信网络中，主要有量子空分交换技术、量子时分交换技术、量子波分交换技术等。
量子空分交换是通过改变光量子信号的物理传输通道来实现光量子信号的交换;量子时分交换是在时间同步的基础上对光量子信号进行时分复用而进行的交换;量子波分交换是将光量子信号经过波分解复用器、波长变换器、波长滤波器、波分复用器而进行的交换。
量子通信网络有三个功能层面：量子通信网络管理层、量子通信控制层和传输信道层。
由量子通信控制层进行呼叫连接处理、信道资源管理和建立路由，进而控制光纤通道建立端到端量子信道，管理层负责资源和链路等的管理，控制层和管理层的功能由经典通信链路完成。
4 量子通信的现状和发展趋势
目前，量子通信在单光子、量子探测、量子存储等关键技术已获得突破和发展，各种量子理论体系日趋完善，量子通信技术已逐步进入试点应用阶段。
当今，美国、德国、日本等各国都投入了重金大力研究量子通信技术，我国也取得了丰硕的成果，在部分领域甚至世界领先，这必将促进我国经济的快速发展。
2012年初，我国中科院士潘建伟带领的技术团队，在合肥建成了国际上首个规模化的节点数达46个的城域量子通信网络。
从2012年开始，我国还构建了基于量子通信的高安全通信保障系统，在北京已经投入永久运营，为十八大、2015年9.3阅兵都提供了重要的信息安全保障。
2016年底，北京和上海之间将建成一条全长2000余公里的量子保密通信骨干线路“京沪干线”，它是连接北京、上海的高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络，主要开展远距离、大尺度量子保密通信关键验证、应用和示范。
此干线可以实现远程高清量子保密视频会议系统和其他多媒体跨越互联应用，也可以实现金融、政务领域的远程或同城数据灾备系统，金融机构数据采集系统等应用。
2016年7月份中国将发射全球首颗量子科学实验通讯卫星，这标志着我国通信技术的突破性发展，标志着中国同时在军用通信领域站在了世界的最前列，之后会陆续发射的更多量子通讯卫星，就可以建成全球性的量子通信网络。
正如潘建伟院士所说量子科学实验卫星的发射，将表明中国正从经典信息技术的跟随者，转变成未来信息技术的并跑者、领跑者，量子通信将会尽快走进每个人的生活，就像计算机曾经做到的一样，改变世界。
量子通讯卫星和“京沪干线”的成功将意味着一个天地一体化的量子通信网络的形成。
量子通信与传统的经典通信相比，具有极高的安全性和保密性，且时效性高传输速度快，没有电磁辐射，它的这些优点决定了其无法估量的应用前景。
通过光纤可以实现城域量子通信网络，通过中继器连接实现城际量子网络，通过卫星中转实现远距离量子通信，最终构成广域量子通信网络。
未来数年内，量子通信将会实现大规模应用，经典通信的硬件设施并不会被完全取代，而是在现有设施的基础上进行融合。
在通信发送端和接收端安装单光子探测器、量子网关等量子加密设备，即可在电话、传真、光纤网络等原有的通信网络中实现量子通信，这将大大地提升通信的安全性。
量子通信有望在10到15年之后成为继电子和光电子之后的新一代通信技术，这种“无条件安全”的通信方式，将从根本上解决国防、金融、政务、商业等领域的信息安全问题。
5 结束语
展望量子通信的前景，未来能够形成天地一体化的全球量子通信网络，形成完整的量子通信产业链和下一代国家主权信息安全生态系统，构建基于量子通信安全保障的互联网。
对于通信维护人员来说，就应该紧跟时代的步伐，加快学习新技术、新知识，以适应科技发展的需要，将所学所知更好地运用于我们的实际工作和生活中。
参考文献
[1]伊浩，韩阳等.量子通信原理与技术[M].北京：电子工业出版社，2013(01).
[2]潘建伟.量子信息技术前沿进展[Z].新华网，2015(10).
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