量子通信技术（共12篇）
量子通信技术 篇1
1、背景
目前很多加密技术都是从数学入手,明文和密文之间的数据变换是借助密码算法(即密钥)完成的。简单说,我们可以用1、2、3、4这四个数字代替a、b、c、d这四个字母来对信息进行加密。即使这种加密再复杂,由于它们以数学理论为基础,理论上不被破译的可能性未能得到证明。随着计算机技术的迅速发展,计算机的破译能力越来越高。或许昨天难以破译的密码,在今天却能够轻而易举的被破解。1977年美国出了个解密题,需要将一个129位数分解成一个64位和一个65位素数的乘积,用当时的计算机估计需要用4×1016年才能得出结果,但到了1994年,计算机只需8个月就可以算出结果。特别是国际上正在研究的量子计算机,理论研究已显示出其具有特殊的功能,如果这种计算机研制成功的话,它能求解诸如大数因子分解等数学难题,其速度比经典计算机的速度快几个数量级。如果保密通信仍按经典方式进行,将无法阻挡量子计算机的破译。于是,量子保密通信应运而生。因为量子计算机以量子力学为基础,需要同属于量子力学的量子通信来阻止其破译。量子通信技术是目前唯一被公认为不可破译的通信方式,一旦研究成功并投入市场,其前景相当可观。
2、量子通信的基本原理及其安全性
量子通信技术以量子力学为理论基础,其主要依据是量子不确定性原理和量子不可克隆(复制)原理。它与经典力学最重要的差别是其互补性,因为量子系统在被测量时会受到扰动。这可由量子观测的不确定性来表述。令量子算子和表示量子系统的两个实际观测量。若,则称这两个观测量是不可对易的,它们必须满足海森堡测不准关系式,即测量一种性质必将干扰另一性质,任何试图精确测量和中的一个量,必将以另一个量的“含糊”为代价。单量子不可克隆原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预先作测量,而测量必然改变量子的状态。
通常我们称发送者、接受者和窃听者分别为Alice、Bob和Eve。如果Alice希望把粒子1的未知量子态传送给Bob,首先Alice和Bob两者必须共享处于纠缠态的粒子对(粒子2和粒子3),建立量子信道。由于量子态具有不可克隆性,不能直接探测未知量子态,将其直接传给Bob,否则会破坏要传送的量子态,为此Alice必须对该量子态进行信息处理,将其变换到另一个量子系统中去。假设Alice对粒子1和她拥有的粒子2实施Bell基联合测量,测量结果可能有四种可能的量子态中的任意一种,且这四种量子态出现的几率相等。根据纠缠原理,对应于Alice不同的测量结果,Bob的粒子3随之坍缩到相应的量子态上,这一过程是由量子信道传递量子信息。Alice通过经典信道将探测结果告诉Bob,Bob就可以根据测量结果选择适当的幺正变换,得到粒子1的量子态,从而实现未知量子态从Alice到Bob的传递。
量子通信的实现还依赖于量子密钥分配协议。我们以BB84协议为例,介绍密钥分配的基本原理。量子密钥分配与经典密钥分配最本质的区别在于前者是运用量子态来表征随机数0和1,而现有的密钥分配是运用物理量来表征比特0和1的,如有无电荷等。若采用光脉冲来传送比特,在经典信息中,光脉冲有光子代表1,无光子代表0,但在量子信息中则是采用单个光子的偏振态来表征比特的,如圆偏光代表1,线偏光代表0,以及每个光脉冲最多只能有一个光子,这个光子所处的不同量子态表明它携带不同比特信息。BB84协议采用四个量子态(如右旋、左旋、水平或垂直偏振态)来实现量子密钥分配,事先约定:左旋和水平偏振态代表比特“0”,右旋和垂直偏振态代表比特“1”。量子密钥分配的操作步骤如下:
(1) Alice向Bob发送一个个光子,每个光子随机地选择左旋、右旋、水平或垂直四种偏振态中的任何一种;
(2) Bob随机地选择线偏振基或圆偏振基来测量光子的偏振态,并记录测量结果;
(3) Bob在公开信道上告诉Alice,他每次所选择的是哪种测量基,但不公布测量结果;
(4) Alice在了解到Bob的测量基后,便可确定Bob的测量基中哪些是对的哪些是错的。她通过公开信道告诉Bob留下选对基的测量结果作为密钥,而将选错的事件丢弃。这样Alice和Bob就可以50%成功率建立完全相同的随机数序列;
(5)为了检查是否有Eve存在,Alice和Bob从已建立的随机比特序列中抽样进行比对,如果发现误码率大于某个阈值(由单光子探测器的暗计数等所决定)则表明存在Eve,于是便丢弃这次密钥不用。再次重复上述步骤进行量子密钥分配,直到确定无Eve存在才认为密钥是安全可用的。
3、量子通信技术上的困难
光量子通信理论的研究已经比较成熟,但目前尚未投入到实际应用中,其主要原因有以下几个方面:
(1)单光子源
现在使用的单光子源是将脉冲激光大幅度衰减并且光子服从泊松分布。当脉冲激光衰减到平均每个脉冲0.2个光子时,每个脉冲含两个光子的概率是1.6%;当平均每个脉冲0.1个光子时,每个脉冲含两个光子的概率是0.5%。如此低效率的光子产生率必然导致量子密码传输体系的速率从源头就极慢。
(2)单光子探测器
目前使用的光电倍增管和雪崩光电二极管都需要通过高压和低温(甚至需要液氮冷却)等手段来获得放大,这就需要强大的设备和高成本的维护。如果要察觉到Eve的存在就必须使用高精度的探测器来减少自身的错误。
(3)传输过程中的保偏
目前的保偏掺杂光纤的制作工艺复杂,所以价格昂贵,其应用受到严格限制。在使用普通掺杂光纤的研究中,虽然目前有利用两个马赫一曾德尔干涉仪保偏和利用法拉第镜补偿双折射保偏等方法,但统一的缺点是系统结构复杂,使用元件多,量子码产生困难。所以如何降低保偏掺杂光纤的价格也是当务之急。
(4)系统自身的不稳定
量子通信系统即使在没有Eve的情况下,由于自身系统的不稳定也会造成一定的长期误码率使通信的质量受到影响。因此,一定要保证系统的稳定性从而保证通信过程的稳定性。
(5)与经典技术的结合
目前的量子通信技术只能防止Eve以非法身份来截取信息。我们还要防止Eve以合法身份来非法获取信息。所以量子通信在实际应用时必须结合成熟的经典技术:身份认证、纠错等。这些问题都有待于量子信息技术的进一步发展。
4、结束语
量子保密通信技术研究属于信息安全的前沿课题,是通信技术的又一次划时代革命。由于它的可证安全性和良好应用前景,近几年吸引了众多研究机构对其进行研究,并取得了许多有重要影响的研究成果。但是,量子保密通信系统的实际应用还有待诸如量子身份认证、量子密钥的高效率分发以及量子保密通信系统与全光网光纤信道的结合等问题的进一步解决。
摘要：如果保密通信仍按经典方式进行，将无法阻挡量子计算机的破译。在这种情况下，量子保密通信应运而生。量子通信技术是目前唯一被公认为不可破译的通信方式，一旦研究成功并投入市场，其前景相当可观。
关键词：保密,量子不确定性原理,量子不可克隆(复制)原理,量子密钥分配
参考文献
[1]谭庆贵．量子通信及其应用前景．量子通信．2003
[2]郭光灿．量子密码．物理与工程．2005
[3]David．J．Griffiths．量子力学概论．机械工业出版社．2005
量子通信技术 篇2
2017感动中国候选人潘建伟“量子通信京沪干线”的故事
关键字: 全国两会量子通信
全国政协委员、中国科学技术大学常务副校长潘建伟院士3日在接受新华社记者采访时表示，京沪干线大尺度光纤量子通信骨干网将于20下半年建成。
“这条量子干线连接北京与上海，贯穿山东济南、安徽合肥等地，是千公里级高可信、可扩展的广域光纤量子通信网络，属世界首例。它建成后将广泛用于金融、政务等领域信息的安全传输。”潘建伟说。
全国政协委员、中国科学技术大学常务副校长潘建伟院士
信息科技进一步发展面临着两大瓶颈，即计算能力瓶颈和信息安全瓶颈：一方面，随着半导体晶体管的尺寸接近纳米级，电子的运动不再遵守经典物理学规律，半导体晶体管将不再可靠，著名的“摩尔定律”终将失效。另一方面，芯片后门、光缆窃听、“棱镜门”等窃听与黑客攻击事实，以及超级计算机运算速度突破亿亿次每秒，使得信息面临着越来越严重的窃听和破译风险。
“量子力学在百年来的发展过程中，已经为解决这些重大问题做好了准备。”潘建伟说。
潘建伟、陆朝阳等不久前在国际上首次实现基于半导体量子点的.高效率和高全同性的单光子源，综合性能达到国际最优，为实现基于固态体系的大规模光子纠缠和量子信息处理技术奠定了科学基础。
量子通信，指利用光子的量子状态加载并传输信息。“从原理上来说，量子通信是无条件安全的通信方式。”潘建伟说，“由于作为信息载体的单光子不可分割、量子状态不可克隆，可以实现抵御任何窃听的密钥分发，进而能保证用其加密的内容不可破译。”
潘建伟在介绍量子通信的发展路线时表示，可以通过光纤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。
展望量子通信的前景，潘建伟表示，未来能够形成天地一体的全球化量子通信基础设施，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未来互联网，即“量子互联网”。
除了在量子通信科研方面取得了突破性进展，潘建伟领导的科研团队还着力在量子计算与模拟、量子精密测量方面展开攻关。
潘建伟介绍说，量子计算利用量子态的叠加性质，可以实现计算能力的飞跃。比如，求解一个亿亿亿变量的方程组，利用亿亿次的天河二号需要1。利用万亿次的量子计算机，则只需0.01秒。这将为解决密码分析、气象预报、药物设计、金融分析等大规模计算难题提供全新的方案。量子模拟机则可视为解决某些特定问题的“专用”量子计算机，可有效揭示一些复杂物理系统的规律。
“英国《自然》杂志在一篇文章中指出，在不久的将来，利用量子模拟揭示高温超导和高效氮固化等的机制，指导产业每年有望产生数百亿美元的直接经济效益，还可以为实现规模化的通用量子计算机奠定基础。”潘建伟说。
量子通信是什么？ 篇3
“绝对安全”的通信是千百年来人类的梦想之一，量子通信系统的问世，重新点燃了建造“绝对安全”通信系统的希望。那么，究竟什么是量子通信呢？目前，量子通信尚无严格的定义。物理上，量子通信可以被理解为在物理极限下，利用量子效应实现的高性能通信。信息学上，则认为量子通信是利用量子力学的基本原理（如量子态不可克隆原理和量子态的测量塌缩性质等）或者利用量子态隐形传输等量子系统特有属性，以及量子测量的方法来完成两地之间的信息传递。
量子通信的基本思想主要包括两部分：一为量子态隐形传输，二为量子密钥分配。量子态隐形传输是将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息；而量子通道是指可以保持量子态的量子特性的传输通道。接收者在获得这两种信息后，就可以制备出原物量子态的完全复制品。量子密钥分配不是用于传送保密内容，而是在于建立和传输密码本，即在保密通信双方分配密钥，俗称量子密码通信。通过量子密钥分配可以对安全的通信密码加以建立，在一次一次的加密方式下，点对点方式的安全经典通信便得以实现。量子通信的安全性保障了密钥的安全性，从而保证加密后的信息是安全的。量子密钥分配还有一个好处——不需要大面积地改造现有的通信设备和线路。量子密钥分配突破了传统加密方法的束缚，以不可复制的量子状态作为密钥，具有理论上的“无条件安全性”。最重要的是，与经典的公钥密码体系不同，即使实用的量子计算机出现甚至得到普及，量子密钥分配仍是安全的。
量子通信具有绝对保密、通信容量大、传输速度快等优点，可以完成经典通信所不能完成的特殊任务。量子通信可以利用无法破译的密钥系统，实现真正意义上的保密通信，因此量子通信成为当今世界关注的科技前沿。它是继电话和光通信之后通信史上的又一次革命。endprint
量子通信技术 篇4
关键词：通信,量子,纠缠态,噪声,单激发
一、引言
量子通信是指利用量子纠缠进行信息传递的一种新型的通信方式, 由于所传输的信息的类别可以分为量子隐形传输、量子密钥传输和量子纠缠的分配[1]。量子通信系统是面向未来的全新通信技术, 在高效性、安全性上具有经典通信无法比拟的优势。近年来光纤量子通道传输技术的出现将量子通信推向了实用化[2]。在信息学上, 量子通信是利用量子力学的基本原理或量子态隐形传输等量子系统特有属性, 以及量子测量的方法来完成两地之间的信息传递[3]。量子通信的基础是在两个相距一定距离的点之间产生量子纠缠态。由于通道噪声、纠缠度会随着通道的长度而降低, 现有量子通信的诸多方案都只能局限于在几十公里的距离内操作[4]。对于一个实际通信系统, 它总是与周围的环境相互耦合, 这就使量子通信系统的纠缠会因为噪声的作用而不可避免的丢失。通过前后测量可以有效的提高量子态的纠缠。在本文中, 我们研究了在考虑系统与环境初始关联的情况下, 利用前后测量来提高量子态的纠缠, 以抵抗环境噪声的影响。
二、具体方案
我们考虑整个系统单激发的情况。存在系统-环境量子关联的初态为
其中
上式中, 角标A、B分别代表两个量子比特, 角标E代表环境, 表示赝模有n个激发。
为了操控量子比特的纠缠抵抗环境噪声的影响, 我们在开始阶段, 对两量子比特态施加一个定域的前测量, 其形式为
其中, Pj (j=A, B) 代表对量子比特j的前测量强度。
经过前测量之后, 量子态演化为:
然后两量子比特经过一个噪声通道, 这一过程可以由赝模方法精确解出。赝模主方程为:
其中
代表包含了量子比特与赝模的总系统的密度矩阵, a (a+) 是赝模的湮灭 (产生) 算符, г是赝模衰减率, Ω代表耦合强度。通过对赝模主方程进行求解, 再求迹掉赝模的自由度, 我们就可以得到两个量子比特系统在噪声环境下的演化动力学。
在经历噪声通道后, 我们对两量子比特态施加一个定域的后测量
其中, 是对量子比特j的后测量强度。
最后, 我们利用形成纠缠度来度量两量子比特系统的纠缠。对于简单的两个二能级系统, Wootters已经给出了系统形成纠缠度的解析求解方法。
三、结果分析与讨论
结果显示, 纠缠度成振荡趋势, 这是由于两个量子比特们与一个共同库相互作用, 这一方面会使量子比特之间产生纠缠, 在另一方面, 由于环境噪声的影响, 产生的纠缠会呈现振荡衰减, 最终消失的情况。如果不施加任何操作, 纠缠度是最小的, 此时的量子态是最不抗环境噪声的。如果我们仅施加前测量, 纠缠度将有所提升。同样的, 如果我们仅施加后测量, 纠缠度会提升的更多。但上述情况下的纠缠度大小仍比同时施加前后测量要小。概括说来, 同时采用前后测量可以提高纠缠, 并减慢纠缠随时间的衰减。
四、总结
本文考虑了两个量子比特与一个共同的环境相互作用, 并且存在初始系统-环境关联。通过在经历噪声通道的前后分别施加定域的前后测量, 能够使两个量子比特之间产生更多的纠缠, 抵抗环境噪声的影响。进一步就可利用量子纠缠态来建立量子信道, 提高量子通信效率。
参考文献
[1]王妍妍.纠缠态的制备及其在量子通信中的应用[D].合肥:安徽大学, 2012.
[2]邢莉娟.基于纯态的量子通信系统模型[J].计算机科学, 2008, 35:97.
[3]徐启建, 金鑫, 徐晓帆.量子通信技术发展现状及应用前景分析[J].中国电子科学研究院学报, 2009, 4:491.
量子通信技术 篇5
——浅谈量子力学与量子思维
理学院物理系 林功伟
量子力学自诞生以来，极大地推动了现代科学和技术的发展，已经深刻地改变了我们的生活方式。从电脑、电视、手机到核能、航天、生物技术，处处它都在大显身手，它已经把人类社会带入量子时代。但量子理论究竟带给了我们什么？这个问题，至今带给我们的仍只是无尽的想象。近年来，校长钱旭红院士，从改变思维的角度出发，在多种场合呼吁全社会要重视量子思维方式并加以运用，不久前又在 “文汇科技沙龙”上，提议让“量子思维”尽早走入中小学课堂。那么，量子力学究竟是什么？
量子力学的诞生是一段波澜壮阔的传奇。它的发展史是物理学乃至整个科学史上最为动人心魄的篇章之一。不平凡的诞生预示了不平凡的神奇。在量子世界中，处事原则处处与我们熟悉的牛顿力学主宰的世界截然不同。在我们熟悉的世界，要么是波，要么是粒子。在量子世界，既是波也是粒子，既不是波也不是粒子，兼具波和粒子的特质，即波粒二象性。从而引申出量子叠加、测量塌缩、量子纠缠等种种神奇的现象。
量子叠加：鱼和熊掌亦可得兼
在经典的牛顿力学体系中，把粒子的运动都归结为确定轨道的机械运动。知道粒子某个时刻的运动状态与力的作用，就可以推断粒子的过去，也可以预知粒子的未来。就像一个算命先生，你告诉他生辰八字，他掐指一算就知道你的前世来生。在这种机械观下，仿佛一切都是注定的、唯一确定的。然而，在量子世界，一切都变得不一样。比如，有一天要从上海去北京，异想天开的你既想乘坐京沪高铁体验沿途的风光，又想搭乘飞机享受鸟瞰大地的感觉。我们习惯的方式是同一时间我们只能选择其一，必须割爱其一。但在量子世界中你可以在火车上和飞机里共存量子叠加态上，鱼和熊掌亦可得兼。
这种量子叠加状态非常奇特。同一时刻，你既体验着高铁沿途的风光，也享受着飞机上鸟瞰大地的感觉，如果说同一时刻有两件事，但分别要求在火车上和在飞机里完成，量子叠加态的你完全可以神奇地一一照做。就像《西游记》中的孙悟空有分身术，同时一个上天一个入地。现在科学家们正利用这一原理来研制未来的量子计算机。量子计算机中的量子比特可以在无数的空间中量子叠加。它们并行地操作完成复杂的计算。已有研究表明这种量子并行计算确实可以在某些特定的复杂计算问题上大大提高效率。例如：一个400位的阿拉伯数字进行质数因子分解，目前即使最快的超级计算机也要耗时上百亿年，这几乎等于宇宙的整个寿命；而具有相同时钟脉冲速度的量子计算机可能只需要几分钟。还有利用量子快速搜索算法，可能很快从一个大森林里找到一片叶子，或者在一个沙滩上找到一颗沙子。在量子世界，“大海捞针”已不再是没有可能的事，简直“易如反掌”。
量子叠加不仅可以是同一个物质在它不同状态的叠加，还允许不同物质的叠加，哪怕这两个物质是迥然不同类的。比如光和原子，前者是宇宙中最快的，一眨眼可以绕地球好几周；后者可以慢悠悠地停留在某处。如果让它们量子叠加一起会怎么样呢？有种叫电磁诱导透明的技术就可以让光和原子相干叠加。叠加后我们称之为暗态极子，它是半光半原子的混合体，就像希腊神话中半人半神的帕尔修斯，既具备人的情感，也具备神的能力。人们发现这种半光半原子混合体的速度是介于之间的，它既不像光速那么快，也不像原子慢悠悠停留在某处，它的速度取决于光在其中叠加的比重。人们通过调节这个比重就可以让光乖乖地慢下来，需要的时候还可以让光再飞奔起来。在运用上，光子相互作用很小，而原子之间容易产生大的相互作用。有趣的是：最近，我们研究小组通过合理设计可以利用原子的优点来弥补光子的缺点，设计出强的单光子相互作用。如果把这个过程提升到量子思维的话，不就是我们生活中的“取长补短” “协同合作”吗？而这个思维能力正是当代社会所迫切需要的。
量子测量：“上帝”开始玩骰子了
如果说到这里，也许给人的印象是：在量子世界，不论多少事情原则上只要有孙悟空的量子分身术，一下子变出千千万万个孙悟空，都可以轻而易举地同时把它们都搞定。事实上不是这么简单的！前面提到的量子计算机可以提高计算效率是有条件的，要对应于某些问题进行巧妙设计才行。到目前为止，人们找到的可以提高计算效率的例子也还局限于一些典型的问题。为什么会这样？这个问题关乎于量子力学的一个神秘特质：量子测量塌缩。
在经典力学，物体的状态可以被精确测量，而且这个状态测与不测一个样，你测和我测也一样。这个意境就像一首诗《见与不见》中描绘的那样：“你见，或者不见我，我就在那里，不悲不喜”。量子测量则完全不同于经典力学中的测量：有测不准原理限制精确的测量，物体的状态会因测量和观察而改变，测量结果还依赖于测量的角度和方式。量子测量中，“上帝”开始玩骰子了！以至于爱因斯坦作为量子理论的奠基人之一却至死也不认同量子测量。然而直至今天，科学实验一次又一次地表明：“上帝”真玩骰子了！
还用刚开始的例子：在火车上和在飞机里的量子叠加态。测量之前你既在火车上也在飞机里，但如果对你测量（比如有人对你GPS定位），你可能忽然掉到火车上也可能忽然掉到飞机里，但最终你是掉到火车上还是在飞机里是无法预知的（唯一知道的是你掉到火车上或飞机里的概率）。量子测量结果还强烈地依赖观察测量的角度和方式。处于相同状态的量子系统，最后的结果跟观察的角度和方式有巨大的差别。如果观察的角度不同，对于相同状态，无论你观察得多仔细，得到的结果永远不同。这里绝对是“仁者见仁，智者见智”。在量子信息学里，人们就充分利用这一点，选择合适的角度测量得到自己想要的结果，如果方式不对，你看到的永远是另一面。由此可见，换个角度看问题是何其重要！量子力学中，两个共轭的物理量一起测量就必然有内在的不确定度，即使用再精准的实验仪器也无法消除，这是量子力学测不准原理决定的。通俗地讲，我们不可能对一个事物的方方面面都全面了解。量子力学告诉你，对其中的一方面知道得越全面，就意味着对另一个方面必然会了解得越模糊，这不是靠你观察能力的提高所能避免的，这是量子力学原理决定的。
现在我们回到前面的问题：基于量子分身术为何不能解决所有事情？虽然量子叠加允许在无穷多的空间中并行操作所有的事情，但当要把办好的事情拿去交差时，就需要你提取结果，即要观察测量。这时量子态就可能塌缩到一个空间去，这就意味着，只有你在塌缩后的空间中办的事还留着，其余空间经历的事就像你梦中的事情一样，醒来时已经无影无踪，徒留一些伤感。所以对特定的问题需要人们巧妙地设计，并选择合适的测量方式方可得到想要的结果。不然可能由于叠加相消，事倍功半。这似乎说很多人一起做事情，需要合理的分工和合作，否则效果反而比一个人还要差。
量子纠缠：“爱情”的力量让一切都变得可能
量子纠缠又是量子力学一个神奇的表现。处于纠缠的两个物体，它们之间的距离无论多么的遥远，它们都是一个整体。哪怕一个留在地球上，一个远在太阳系之外，当其中一个遭遇什么事情（例如量子测量），太阳系之外的另一方也会马上随之感应。处于量子纠缠的两个物体，就像电影里一对深深相爱的恋人，彼此心灵相通，他们远在天边却时时思念并无形地连着彼此。这种神秘的关联使得量子纠缠成为宝贵的资源。利用它可以完成你很多意想不到的事情，比如量子信息中的量子隐形传态，它有一个生动形象的英文名字“Quantum teleportation”，“Quantum”指量子，“teleportation”在英语字典就是“心灵运输”的意思。在量子隐形传态中，借助量子纠缠可以把量子态从一个地方传到另一个地方，即使发送的人对自己要传的东西一无所知。量子纠缠还可以用来发送安全的量子密码，这种密码就像恋人间的悄悄话，只有他们心领神会，别人却听不懂。还有量子纠缠还能实现超密编码，原本你只能拿起一百斤东西，爱情力量却让你拿起两百斤东西。还有量子纠缠可以实现测量式的量子计算……
总之，个人体会：从物理过程分析，量子力学看似诡异，因它与我们习惯的方式格格不入；但从它的结果发现似乎又更加优化、更加合理。最近著名杂志《科学》报道，科学家发现了室温下光合作用中的量子机制，并证明这一机制帮助光合作用获得高效的转化效率。也许正是这种大自然巧夺天工的优化和合理才是我们学习量子力学时所要吸取的营养。这里只是个人学习得到的一点粗浅体会。最后，欢迎大家关注我们即将推出的公选课——《来自量子世界的新技术》，我们可以一起探讨和遨游神奇的量子世界。
超越时空的量子通信 篇6
不过，走出地球，却是一个广袤无际的宇宙空间。到那里去探索，去寻找地球的知音，以及到其他星球上去定居，一直是牵动人类思绪的美好梦想。在宇宙空间，各天体之间的距离是以光年来计量的。如果我们的宇宙飞船到达距地球只有1光年的某个星球，利用现有的通信手段，那它与我们之间的通信也会有两年的时延。何况，宇宙空间离地球几千、几万光年的天体比比皆是。与它们之间若以光速进行通信，那真是等白了头也难觅回音。
所幸的是，一种被称为量子通信的新的通信方式也初露端倪。它是一种不受通信双方空间距离限制、不存在任何传输时延的真正意义上的实时通信，因此，它可望承担起未来宇宙通信的使命。那么，什么是量子通信呢?
简单地说，量子通信就是根据量子力学关于相互耦合的微观粒子(如电子、光子等)之间存在的超光速关联来实现信息的传递。量子力学指出，如果我们对相互耦合的一对粒子中的一个粒子进行测量，另一个粒子将会瞬时“感应”到这种影响，并发生相应的变化，而不管这两个粒子间相隔有多远。上述这种微观粒子间的超光速关联和影响叫做“缠结”，它是一种具有交互作用的粒子之间通过“感应”而建立的神奇连接。这种连接是实现超光速通信的主要依据。量子通信的优点很多，首先便是它的零时延。正是由于这个特性，它可望应用于未来的星际通信；其次是它可以不通过双方之间的空间进行，这就避免了环境对通信的干扰；第三，是保密性强。因为信息载体可以只保存在收发信息的双方，使与此项通信无关的第三者无法干扰和窃听。此外，它还是一种环保型通信，不会产生电磁污染。
量子通信系统由量子态发生器、量子通道和量子测量装置组成。按其所传送的信息是经典还是量子而分为两类。前者主要用于量子密钥的传输，后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。隐形传态是一种脱离实物的信息传送，它的过程是光提取原物的所有信息，然后将这些信息传送到接收地点，接收者再根据这些信息选取与构成原物相同的基本单元，制造出原物完美的复制品。但是，量子力学的不确定性原理不允许精确地提取原物的全部信息，这个复制品不可能是完美的。因此“隐形传送”不过是一种幻想而已。
1993年，6位来自不同国家的科学家，提出了利用经典力学与量子力学相结合的方法来实现量子隐形传态的方案：将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方，把另一个粒子制备到该量子态上，而原来的粒子仍留在原处。其基本思想是：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子测量而获得，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息；接收者在获得这两种信息后，就可以制备出原物量子态的完全复制品。该过程中传送的仅仅是原物的量子态，而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的粒子处于原物的量子态上。在这个方案中，纠缠态的非定域性起着重要的作用。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关联。量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义，而且可以用量子态作为信息载体，通过量子态的传送完成大容量信息的传输，实现原则上不可破译的量子保密通信。
量子信息技术不断推进 篇7
继半导体量子芯片成功研制,及全球首颗量子卫星在我国成功发射之后,10月份,全球首条量子通信商用干线“沪杭干线”(浙江段)宣布开通,到年底,被称为全球第一条远距离量子保密通信干线的“京沪干线”也将建成并验收。其中,量子卫星和京沪干线两大工程,是我国构建“天地一体化”量子通信网络雏形的基础,其最终目标是建立覆盖全国乃至全球的广域量子保密通信网络。这些技术成果无不证明了我国量子信息技术已经处在世界领先位置,而2016年也成为我国量子信息产业发展至关重要的一年。
作为量子力学和信息科学相结合的产物,量子信息技术在计算、信息处理和传输等方面都有运用的可行性,目前主要包括量子通信和量子计算两大领域。两大干线及量子卫星指向的就是量子通信,并被列入“十三五”规划的重大科技项目中。这得益于量子保密通信的特性,用业界的话来解释,就是量子密钥分发过程中的信息依靠单个光子传输且不能被克隆,一旦通信被窃听也能立即发现,从而保证通信不被破译,解决了当前“芯片存有后门”“光缆容易被窃听”等通信问题。此外,量子通信技术还具有超大容量和抗干扰能力强等特点,使其在军事、金融等领域都有很高的价值和运用前景。
量子信息技术除了能解决信息安全传输的问题外,在提升计算机的计算能力上也功不可没。量子计算机的计算速度和效率将远超当前的电子计算机,可以设计复杂模型、大型数据库搜索及药物分子建模等,解决当前计算机难以完成的计算问题。目前,美国在量子计算机领域的研究已取得不少进展,我国半导体量子芯片的成功研发也是该领域的一大进步,未来,量子计算机还能应用于在金融、信息技术和医疗等行业。
量子通信及其在电力通信的应用 篇8
近20年来,量子通信作为一门新型交叉学科逐渐发展起来,目前已成为国际量子物理和信息科学的研究热点之一。量子通信是一种新型的利用量子纠缠效应进行信息传递的通信方式,具有高效、无条件安全等特点,是结合了量子论和信息论的重要科学研究领域。其中,潘建伟教授领导下的中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室、安徽量子通信技术有限公司、中科大上海研究院量子工程中心、光与冷原子量子信息研究中心和量子信息与量子科技前沿协同创新中心等,取得了国际先进成果,开发了量子通信相关设备,如量子网关、量子VPN、高速加密机、量子交换机、单光子探测器等[1]。
1 量子通信研究及其产业化进展
量子通信具有无条件安全特性,即在目前技术条件下可以提供绝对安全,可以通过一次一密保障信息安全,同时可以通过量子状态侦测安全攻击,这是传统通信方式所不具备的。该特性为国家安全、基础设施、网络通信、金融等领域提供强有力的技术支撑,显现出广阔的前景和应用价值。
量子通信融合了现代物理学和光通信技术相关研究的成果,其基本思想主要由Bennett等人于20世纪80~90年代起相继提出。量子通信按照信道分为2类:一类是量子隐形传送(quantum teleportation);另一类是量子密码通信(Quantum Key Distribution,QKD)。量子密码通信通过一次一密的加密方式可以实现点对点方式的安全经典通信,由物理学基本原理来保证密钥分配过程的无条件安全性,从而建立安全的通信密码。量子通信基于量子力学基本原理,不依赖于计算的复杂性来保证通信安全,其安全性不会受到计算能力和数学水平的不断提高的威胁[2,3,4]。量子通信的分类如图1所示。
量子通信的安全性已经获得严格的数学证明,迄今为止在经典通信上是做不到的,2种通信方式[4,5]的安全性示意如图2所示。
1.1 量子通信研究进展
近年来,量子通信已成为欧盟、美国和日本等发达国家重点关注的前沿科技热点,国际竞争非常激烈。这场竞争从美国国防高级研究计划署建设第1个量子通信试验网络开始算起,到目前为止已经持续了10年以上。近10年来,国外已经建造了一系列的小规模QKD技术验证网络,包括:2008年欧洲联合建立的SECOQC网络、2009年美国国防高级研究计划署(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)建立的“国防部感兴趣”的城域QKD网络以及2010年日本通过与欧洲合作建立的Tokyo QKD Network。
欧盟相关机构于2010年4月更新的量子通信技术发展路线图——《量子信息处理和通信:欧洲研究现状、愿景与目标战略报告》中指出,欧洲未来10年的量子通信目标将实现基于自由空间的卫星—地面量子通信和千公里级别的光纤量子通信。日本国家信息通信研究院在其网站上公布了至2040年的量子信息通信技术发展路线图,按计划将在2020年实现量子中继,到2040年将建成无条件安全、极限容量和超高精度的广域光纤与自由空间量子通信网络。根据DARPA的预算书,从2012年起,美国军方已经筹划并安排了针对空间尺度达到5 000 km量级的广域量子通信网络技术的预先研究。英国财政部发布了总投资额2.7亿英镑的5年专项计划,面向市场需求,将量子保密通信、量子测度、量子传感器、量子模拟和量子计算等5个方面作为重点发展的量子技术。
1.2 量子通信产业化情况
欧洲已经把量子通信应用于电子政务和金融领域,欧洲的电信运营商也开始引进量子通信技术,不断研究量子通信特性及应用领域,同时开展商业和运营模式探索。欧洲发布了量子通信技术和商业白皮书,启动了技术标准化进程,包括AT&T、Bell实验室、IBM、Hewlett-Packard、Siemens、Hitachi在内的世界著名公司对量子通信技术投入了大量研发资本,并介入了产业化开发。瑞士Id Quantique、美国Magi Q Technologies、法国Sequrenet公司以及澳大利亚Quintessence Labs等已有量子密码的相关产品。
1.3 中国量子通信技术
我国政府高度重视包括量子通信在内的量子技术的发展。量子通信已经被列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》,而其中的量子通信,属于国家重点发展的具有引领新兴产业发展潜力的前沿技术,已被列入国家“十二五”科技发展规划纲要中。国家“十二五”科技发展规划纲要指出,在信息技术领域要突破“光子信息处理、量子通信、量子计算等核心关键技术”;2013年6月20日,中国科学院研究报告即《科技发展新态势与面向2020年的战略选择》指出,中国在2020年左右可能产生的19项科技突破里,量子通信(及量子计算)排在首位。
我国的量子通信技术布局早,成果卓著。中国科学院从20世纪90年代就开始布局量子通信技术。2001年在合肥成立了中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室量子物理与量子信息研究部,2011年5月在济南成立了中国科学院量子技术与应用研究中心,2014年1月15日在合肥成立了中国科学院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心,这3个研究部、研究中心和卓越创新中心都由潘建伟院士担任主任。以中国科学院、中国科学技术大学在量子信息与量子科技前沿领域已取得的领先优势为基础,创新机制体制,瞄准前沿研究热点和国家重大需求,着力突破推动量子科技革命的前沿科学问题和战略性高技术问题[6]。
2 量子通信应用情况
2.1 国内应用案例
2012年2月“金融信息量子通信验证网”建成投运,该验证网是在中科院量子技术与应用研究中心的主导下,由其产业化公司——山东量子科学技术研究院有限公司、安徽量子通信技术有限公司等合作利用已有的量子通信网络技术,针对新华社的金融信息系统通信的需求和特点,结合其信息处理和传输系统的特点开发的量子通信验证网络,目标在于将量子通信技术和特定的经典通信应用系统相结合,拓展量子通信技术的应用领域[2,7]。该网在实时文字交互、视频语音通信和高速数据传输等方面实现了高保密性。此外,采用量子密码进行仿真股权和债券交易系统,这在国内外开展利用量子通信技术保障金融信息安全的研究中尚属首次。
2012年3月,“合肥城域量子通信试验示范网”正式投入使用[8]。该网络具有46个节点,部署高速光纤约1 700 km,建立包括6个接入交换和集控站链接,同时接入16组“量子视频”用户和40组“量子电话”用户,覆盖了合肥市主城区,是当时世界上第1个规模化的量子通信网络。
2013年12月,“济南量子保密通信试验网”在济南市建设成功并全网运行,该网络以承载实用业务为目标,拥有56个节点,90多个服务用户,涵盖对信息安全要求较高的政府机关和企事业单位等50个终端用户单位,是当时世界规模最大的量子通信城域网络[8],网络由山东联通提供光纤线路资源。作为量子通信试验床,该工程的建设将为量子通信提供完整的仿真环境,对大规模应用中可能遇到的关键问题进行攻关,从而为实用化的量子通信大型城域网在国内的推广以及量子通信技术的产业化奠定基础。
2013年7月22日,国家发改委批准建设“量子保密通信京沪干线技术验证及应用示范项目”,总投资为5.6亿元,项目于2016年6月投运。京沪干线项目以服务国家信息安全重大需求为战略目标,设目标是建成连接北京、上海,贯穿济南、合肥等地的量子保密通信骨干线路,线路总长2 000余千米,连接各地城域接入网络,打造广域光纤量子通信网络,并建成大尺度量子通信应用研究、技术验证和应用示范平台[8]。以金融、政务和商务应用示范为抓手,兼顾军民融合,探索量子保密通信业务的商业模式。
2.2 国际国内电网应用
2012年,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LOS Alamos National Laboratory)团队研究和展示了量子保密通信系统用于加密电网数据和控制指令,已开发出应用于电力网络的量子保密通信系统,该系统运行于伊利诺斯大学厄尔本香槟分校的一个可信网络基础设施的电网(TCIPG)。2012年在加州成立的Grid COM公司,开始把量子保密通信技术应用到电力系统中,可实现不间断机器到机器的服务(M2M),M2M是广泛应用于电力系统的最新安全通信与性能标准,提供“Quantum Data Locking service”的保密通信服务。近年来,包括AT&T、Bell实验室、IBM、Hewlett-Packard、Siemens、Hitachi、Toshiba在内的世界著名公司对量子通信技术投入了大量研发资本,介入了其产业化开发。还有瑞士Id Quantique、美国Battelle以及澳大利亚Quintessence Labs等公司,以及美国Oak Ridge实验室联合GE公司、IDQ公司开展量子通信在电网中的应用项目[1,2,3,9]。
在我国电力通信方面,也进行了相应的应用研究。如中国电科院与中科大研究团队开展了电力量子保密通信方面的科研项目,包括“电力应用环境QKD设备系统稳定性实现技术和测试方法”项目,其研究重点是QKD电力通信网络,主要考虑远距离通信[10,11]。研究内容包括:强磁大电流环境下的QKD设备测试;密钥传输接口协议的制定和标准化;量子通信设备的准入规范制定。
开展在电力系统应用环境下QKD设备的安全性评估研究,主要针对将QKD设备应用于电力领域进行阐述和分析,通过对具备QKD功能的安全通信系统与传统加密系统的安全性进行比较,提出QKD对传统加密设备的安全性增强策略。从传统电力加密设备和系统的安全性现状出发,结合QKD系统本身的安全性特点,提出具备QKD功能的电力通信设备(系统)的安全性设计要求。
另外还有对电力量子安全通信产品方案和电力量子通信组网的研究,针对QKD设备在电力领域的应用进行阐述和分析,从现有电力通信网络的安全性特点出发,给出了电力系统多用户应用场景下的量子密钥分配、存储和管理机制实现方案[11],并且研究了QKD装置与电力二次防护设备相结合的有效方法。
目前,量子通信在国家电网系统已经从研究走向试点应用。2015年6月,中国电科院与中科大合作开展“电力工业量子通信网”研发,搭建首个电力工业量子通信网,初步规划为点对点网络,在电网实用数据传输网络环境下部署量子通信设备,承载语音、视频等业务。将采用最新的量子密钥分发技术和应用接入技术,提供量子安全下的数据传输等基本功能,实现全硬件的量子密钥分发过程,利用生成的量子安全密钥对原有电力通信网传输的数据进行加密保护[10]。同时开展量子保密通信电力应用示范网建设,搭建4节点(1个集控站、3个用户)的星状量子通信应用示范网,同样承载语音、视频等业务,也可作为与现有经典安全设备(如二次防护设备)的融合和接入试验平台。技术验证完成后,尝试在搭建的网络中承载实际业务(如计量类营销数据和办公网络数据)和调度业务(如生产数据)的信息传输,为后续量子通信在电力行业中的实际应用奠定基础。在应用示范网基础上,对量子通信产品进入电力系统制定检测标准,分析QKD设备在高压、强磁、风激、舞动等电力光缆传输中的错误率和成码率。
3 量子通信应用参考
在传输能力方面,主要包括经典通信传输能力和量子密钥应用传输能力2个方面。
1)经典通信传输能力。量子安全通信不会对经典通信传输能力产生任何影响,只是利用量子密钥将经典传输数据加密后(一次一密)进行传输,因此经典通信传输能力取决于业务终端的数据传输带宽[12]。目前公司的量子昆腾VPN数据吞吐率有500 Mbps、1 000 Mbps等(根据客户需求可进行定制)。
2)量子密钥应用传输能力。量子密钥的生成速率≥2 kbps(50 km@13 d B),量子密钥的更新频率可达到300次/min。
在工程成本方面,由于量子通信属于新技术,其设备成本较高,大概是经典设备的4~5倍。在电网量子通信专用设备、标准都成功以后,成本可以下降。量子通信系统与传统通信系统造价比较见表1所列。
以4节点(1个集控站节点、3个用户节点)为例:关于量子通信安全方面,量子安全通信的优势在于解决经典传输链路的安全性,通过量子不可测量、不可复制原理进行相位编码产生绝对安全的量子密钥,并对原有的传输数据进行安全加密。而对于机房、集控站中的物理安全性则仍然需要通过经典安全的方式进行防护。
总之,量子通信与现有通信技术是一个取长补短、相互融合的过程,量子通信不会从根本上替代现有的通信技术,而是在现有技术的基础上,在物理层、网络层和应用层将两者有机融合。随着量子通信技术的成熟,未来将进一步向规模商用阶段迈进,在国防、军事、金融和电力等领域的应用前景广阔。
4 结语
电力系统通信网络及其信息安全问题关系着电力企业的安全生产与经济效益。目前,电力行业在网络与信息安全的基础支撑技术方面还存在一定的局限性,未来所面临的安全风险不可预知。探索量子保密通信技术在电力系统通信安全方面的应用是一项非常有意义的前瞻性工作,对形成高安全性、高效率、稳定可靠的电力信息通信系统,促进管理一体化、简单化大尺度的新一代电力信息通信体系意义重大。
建议根据电力通信特征开展如下工作。
1)深入调研电力信息通信业务,建立信息系统安全生态表。调研目前在运各个业务应用系统的信息安全生态,按安全级别及紧要程度等量化安全优先级,明确安全需求。考虑到实际应用业务运维,业务系统数据量大、架构复杂、关联耦合度高,因此可以按照信息安全等级及系统的定位进行评价,建立系统安全对照表,明确各级系统运行条件及安全要求,尤其是对信道的安全要求。
2)根据业务应用需求及支撑条件,开展业务应用示范验证。调研表明我国的量子通信研发成果具有世界先进水平,且完全拥有核心技术及知识产权。同时,已成功研发了一系列具有国际领先水平的关键器件,可以根据业务梳理结果,对一些重要且独立的信息通信系统采用量子技术进行保护,开展示范性应用,对电力通信中引入量子技术进行验证。在研发过程中,与先进的队伍合作,大力培养电力量子通信方面的人才,提高和完善量子通信技术在电力系统中的应用。
3)凝练应用示范验证成果,建立量子通信设备入网标准、规范,推广应用范围,建立电力量子通信运维管理体系。根据应用示范验证的成果,对必要的应用系统采用量子通信技术进行安全保护。研发符合电力通信要求,满足电力环境下进行正常通信的相关设备;提出电力量子通信入网标准、规范;建立运维管理体系;推广量子通信应用范围。
张翼英
参考文献
[1]吴华,王向斌,潘建伟.量子通信现状与展望[J].中国科学:信息科学,2014,44(3):296-311.WU Hua,WANG Xiang-bin,PAN Jian-wei.Quantum communication:situation and prospects[J].Chinese Science:Information Technology,2014,44(3):296-311.
[2]刘刚.量子保密通信系统及组网技术研究[D].西安:西安电子科技大学,2012.
[3]MAURYA A K,MISHRA M K,PRAKASH H.Two-way quantum communication:Generalization of secure quantum information exchange to quantum network[J].Pramana,2016,86(3):515-526.
[4]苏晓琴,郭光灿.两种典型的量子通信技术[J].广西大学学报(自然科学版),2005,30(1):30-39.SU Xiao-qin,GUO Guang-can.Two typcal quantum communication technology[J].Journal of Guangxi University(Natural Science Edition),2005,30(1):30-39.
[5]孟颖,吕超,王加安,等.量子通信技术的原理和进展[J].中国新通信,2014(24):68.
[6]赖俊森,吴冰冰,汤瑞,等.量子通信应用现状及发展分析[J].电信科学,2016,32(3):123-129.LAI Jun-sen WU Bing-bing,TANG Rui,et al.Analysis on the application and development of quantum communication[J].Telecommunications Science,2016,32(3):123-129.
[7]佚名.山东:建设国内第一套量子保密通信试验网[J].中国信息安全,2010(8):12.
[8]李霏雯.量子通信技术现状及发展趋势初探[J].通讯世界,2016(10):61-62.
[9]BELLAC M L.Quantum communication[J].The World of Chinese,2015,173(1):58-95.
[10]严晓玲,江冬娜.量子通信技术及其在电力系统中的应用分析[J].通讯世界,2015(21):8-9.
[11]张睿汭,周静,陈希.光纤量子密钥分配技术在电网中的应用前景[J].电力系统通信,2012,33(10):1-4.ZHANG Rui-rui,ZHOU Jing,CHEN Xi.Application prospect of optical fiber quantum key distribution technology in power grid[J]Telecommunications for Electric Power System,2012,33(10):1-4.
量子密码通信研究进展 篇9
一、量子密码学
经典密码体制有两种运用很广泛的体制, 一是非对称密码体制, 另一种是对称密码体制[1]。
非对称密码体制又称为公开密钥体制, 接受消息者 (通常称为Bob) 先选一组只有他自己知道的私人密码, 由此私人密码推算出相应的公开密码, 并将此公开传给准备发送消息的所有人, 发送消息者 (通常称为Alice) 利用公开的密钥将消息加密发给接受者Bob。对于所有的人, 包括窃听者 (通常称为Eve) 很难从密文反推原来的消息, 只有Bob既知道公开密钥又知道私人密码, 才能将密文解密而还原成原文。这种传输消息体制中的Alice和Bob拥有不同的密钥故称为非对称密码体制, 此体制的安全依赖于解密计算的复杂性。例如最常用的RSA密码算法, 就是应用大数分解质因子的原理。在Alice与Bob之间传递的密文, 是以公钥加密, 而这个公钥是一个很大的数, 例如408508091 (实际上用的数会远大于此) 。密文只能以Bob握有的私钥解开, 这把私钥是公钥的两个因数, 而在这个例子里就是18313与22307。通常含有的质因子愈大愈难将它们分解出来, 因此至今密钥的安全性仍旧很高。按照现有的理论计算, 分解一个400位数的质因子, 用目前最先进的巨型计算机也需要用10亿年的时间, 而人类的历史才不过几百万年。然而量子计算机概念的出世, 严重动摇了RSA公钥密码体制的安全性。1994年, 美国的P.W.Shor利用量子计算机理论证明, 一个N位大数的质因子分解只需用N的多项式的时间而不是以前所认为的N的指数次的时间。利用量子计算机分解一个400位大数仅仅需要不到一年的时间!Shor的工作引起了科学家们巨大的热情和兴趣。1995年, 美国Grover证明在搜索问题上量子计算机比经典计算机优越。因此当量子计算机的研究有了突破性的进展, 因子分解的难度将会显著下降[2]。
对称密码体制又称专用密码体制, Alice和Bob拥有相同的密码, Alice用此密码加密, Bob用同一密码解密, 已经证明这种密码体制仅用一次才能保证完全安全, 再次使用安全性将大打折扣。因此这样的密码体制尽管有安全保障, 但效率太低, 在实践中Alice和Bob的密码只能依靠两人会面或者有专门的信使传递, 成本很高且存在新的安全隐患。为了提高密码的利用率, 发展了DES, AES及IDEA等对称密码体制[1]主要靠计算复杂度的增加来实现密码的重复使用。然而, 它同样面临量子计算机的发展变得岌岌可危。
从数学上讲只要掌握了恰当的方法任何密码都可破译。此外, 由于密码在被窃听、破解时不会留下任何痕迹, 用户无法察觉, 就会继续使用同地址、密码来存储传输重要信息, 从而造成更大损失。然而量子密码不是依赖于计算的复杂度, 而是基于量子力学原理, 利用量子的物理特性来保护信息。其原理是“海森堡测不准原理 (Heisenberg uncertainty principle) ”中所包含的一个特性, 即当有人对量子系统进行偷窥时, 同时也会破坏这个系统。在量子物理学中“海森堡测不准”原理表明, 如果人们开始准确了解到基本粒子动量的变化, 那么也就开始丧失对该粒子位置变化的认识。所以如果使用光去观察基本粒子, 照亮粒子的光 (即便仅一个光子) 的行为都会使之改变路线, 从而无法发现该粒子的实际位置。从这个原理也可知, 对光子来讲只有对光子实施干扰才能“看见”光子。因此对传输光子线路的窃听会破坏原通讯线路之间的相互关系, 通讯会被中断。另外, 还有“单量子不可复制”定理。它是上述原理的推论, 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必须先做测量, 而测量必然会改变量子状态。根据这两个原理, 即使量子密码不幸被Eve获取, 也会因测量过程中对量子状态的改变使得Eve只能得到一些几乎无意义的信息。
量子密码就是利用量子存在状态作为信息加密、解密的密钥, 其原理就是被爱因斯坦称为“神秘远距离活动”的量子纠缠态 (entangled state) 。它是一种量子力学现象, 指不论两个粒子间距离有多远, 一个粒子的变化都会影响另一个粒子。因此当使用一个非线性晶体 (如碘酸锂[lithium iodate], 硼酸钡[barium borate]) 将一个光子“分裂”成一对纠缠的光子后, 即使相距遥远它们也是相互纠结的。只要测量出其中一个被纠缠光子的属性, 就容易推断出其他光子的属性。而且由这些光子产生的数据只有通过特定发送器、接受器才能解读。同时由于这些光子间的“神秘远距离活动”独一无二, 只要有人要非法拦截这些数据, 就会不可避免地扰乱光子的性质。而且异动的光子会像警铃一样显示出入侵者的踪迹, 再高明的Eve对这种加密技术也将一筹莫展。这实际上就是一种不同于传统需要加密解密的加密技术, 其实质在传递过程中规避Eve的窃听或者篡改。
二、量子密码通信
量子通信系统由量子态发生器、量子通道和量子接收设备组成。它是光纤通信技术的一种, 只不过其量子通道利用光的量子物理特性, 让一个个光子传输0和1的信息, 量子通信技术所传输的信息是分为经典还是量子两类, 前者主要用于量子密钥的传输, 开发无法破译的密码;后者则是量子瞬间传送, 一种令人难以置信但在量子世界里确实可行的瞬间远距离“实物”传输技术。
实现单光子密码通信, 可以试想成Alice向Bob逐个地、随机地发出互不正交的两种量子状态水平偏振单光子及45O偏振单光子, 并规定水平偏振码值为0, 45O偏振码值为1。Eve要获取信息, 必须截取并测量Alice和Bob的通信。Eve有50%的机会猜对Alice发送的是哪一种偏振光子, 此时Eve能正确测出码值。Eve还有50%机会猜错码值, 即使在猜错时仍由50%机会得到正确码值, 这样合起来Eve测得正确的码值机会有75%。Eve测得后, 从Alice向Bob发送的量子态遭到破坏, Eve为了掩饰窃听, 需要伪装Alice向Bob发出的量子态, 由于Eve只有75%的正确码值, 因而Eve向Bob发送的单光子状态将有25%的机会错误, 如此高的误码率 (QBER) 将容易被Alice及Bob发现。他们会舍弃这次通信, 以维护通信安全。
实现通信协议的密码通信, 以BB84协议为例:
协议采用四个非正交态作为量子信息态[图1], 且这四个态分属于两组共轭基, 每组基内的两个态是相互正交的。两组基互为共轭是指一组基中的任一基矢在另一组基中的任何基矢上的投影都相等。因此, 对于某一基的基矢量子态, 以另一组共轭基对其进行测量会消除它测量前具有的全部信息而使结果完全随机, 也就是说测量一组基中的量将会对另一组基中的量产生干扰。光子的线偏振量和圆偏振量就是互为共轭的量。不论是用左旋圆还是右旋圆偏振基测量线偏振光子, 都是各以一半的几率得到左旋或右旋圆偏振态。反之亦然。
现在我们假定Alice与Bob约定用这两种偏振基中的四种偏振态来实现量子密钥分配, 操作步骤如下:
(1) Alice随机地选择右旋、左旋、水平或垂直四种中任一种偏振态的光子并发送给Bob; (2) Bob随机地独立选择线偏振基或圆偏振基测量该光子的偏振态; (3) Bob实际所测到的偏振方向 (只有Bob自己知道, 其中一些态未被检测到) ; (4) Bob公布他检测到态时所采用的测量基 (如, 通过打电话告诉Alice) , 但不公布测量到哪个偏振态, Alice告诉Bob哪些测量基是正确的并保留下来, 其余的丢弃掉; (5) Alice和Bob仅保留相同基时的态, 并按约定的规则转化为二进制序列 (如左旋圆偏振态和水平线偏振态代表比特“0”, 右旋圆偏振态和垂直线偏振态代表比特“1”) 。 (6) 确定有没有致命的窃听 (7) 通过公开的信道进行纠错, 即称为的数据协调。 (8) 进行密性放大, 即指牺牲部分Alice和Bob共有的信息来将Eve可能以获取的信息变为无效, 密性放大是通过公开的信道进行的。最后Alice和Bob共同拥有的码序列, 就是所需的密码[3]。
三、量子密码通信的进展状况
如何让信息快速、方便、安全地传递是信息科学的主要课题, 量子密码学产生正是基于此思想。在1970年美国哥伦比亚大学的科学家威斯纳 (S.Wiesner) 提出如何将量子特性用于密码科学, 利用单量子态制造不可伪造的“电子钞票”, 这个构想因量子态的寿命太短而无法实现。受此启发, 确让IBM的贝内特 (Bennett C H) 博士和加拿大学者布拉萨德 (Brassard G) 想到单量子态虽然不好保存但可用于传输信息。在1984年提出了第一个量子密钥分配方案, 称为BB84协议。1992年C.H.Bennett又提出了一种更简便但效率减半的方案, 即B92协议。
最早的量子密钥分配 (QKD) 网络实验是由英国的P.D.Townsend小组于1998年提出。他们利用光无源器件——分束器 (splitter) 实现了Alice与多个Bob之间的密钥分配。美国国防高级研究计划局 (DARPA与哈佛大学、波士顿大学和美国国家标准与技术研究所 (NIST) 等多家研究机构合作展开了量子保密通信与IP互联网结合的5年试验计划, 并于2003年在BBN实验室进行了成功的实验运行。经过近20年的发展, 量子密码通信目前已从单纯研究逐步走向实际应用。2002年7月以日内瓦为基地的公司 (id Quantique) 已在长达67Km的光纤上实现单光子密码通信。2004年3月日本NEC公司宣称创下了量子密码传输距离的新记录——150Km, 这一距离为量子密码技术的实用化提供了可能。2004年6月3日, 6节点的QKD网络在哈佛大学、波士顿大学和BBN公司之间利用标准电信光缆进行了通信。这套网络目前拥有6个节点, 其中:由4个是可以互操作的弱相干量子密钥分发系统, 它们的脉冲比率为5MHz;另外两个是高速自由空间量子密钥分发系统。这套网络主要通过普通光纤来传输采用密码加密的数据, 与现有互联网技术完全兼容, 网络传输距离约为10Km。到2005年3月, 这套网络已增加到10个节点, 并且增加了基于量子纠缠的量子密钥分发系统。2007年3月, 中国研究人员在北京网通的实际线路上利用量子路由器实现了分布3个不同地点的4用户长时间稳定QKD和视频保密通信。欧洲的英、法、德、意等国家建立了基于量子保密的安全通信网络, 简称Secoqc[4] (Secure Communication Based on Quantumn Cryptography) , 并于2008年在奥地利的维也纳实验证实了5个节点的Secoqc QKD网络。2009年10月9日id Quantique公司网站发布, 由日内瓦、瑞士西部的应用科学大学和大学的身份证Quantique公司, 长期在一个网状网络环境长期的量子密码技术合作, 建立Swiss Quantum测试网络, 运行超过6个月, 并于最近通过了累计运行时间标记12000小时, 这标志着这项技术成熟、可靠[5]。
摘要：本文通过阐述量子密码学产生, 在通信领域中的开发与研制, 到实际应用的过程, 揭示量子密码在保密通信中发生着深刻变化, 展示未来保密通信领域中快捷、可靠、安全的发展前景。
关键词：量子信息技术,量子密码通信,量子密码学
参考文献
[1]陈鲁生, 沈世镒.现代密码学[M], 北京:科学出版社, 2002:41—63, 69—78
[2]Shor P W.Algorithms for quantum computation:discrete logarithms and factoring.Proc.of35th Symposiumon Foundation of Computer Science, 1994:124-134
[3]马瑞霖.量子密码通信[M], 北京:科学出版社, 2006:33—35
[4]Poppe A, Peev M, Maurhart O, et al.Outline of the Secoqc quantumn-key-distribution netwark in Vienna[EB/OL].Arxiv.org/pdf/0804.0122v1, 2008-04-01
量子通信技术 篇10
上个世纪30年代, 这项技术所应用的“量子纠缠”效应曾被爱因斯坦称作幽灵般的超距离作用, 直至今天, 某些报道中也出现过这样的描述, 称要实现文本、语言或者图像的传输, 只须通过该“幽灵通信”就能瞬间实现传递 (超光速通信) 。那么, 量子通信是否真如众人所说的神乎奇乎, 它能否掀起一场新的信息安全技术革命浪潮, 又或者仅仅是出现在科研书上的几个高大上的概念性文字?本文将对其详细讲述。
全球量子热
何为量子神技
科技界与产业界被云计算、大数据等热词刷屏多时, 今天终于迎来了一种更为高精尖的技术——量子通信。
通过查阅相关资料发现, 量子通信发展至今已有些历史, 可为什么在国内到当前才被争相热议?这还得追溯到年初评选的2014年中国十大科技进展, 中国科学技术大学潘建伟院士团队的“量子通信安全传输创世界纪录”成功上榜。随后不久, 中国工商银行成功应用量子通信技术, 实现了该行北京分行电子档案信息在同城间的加密传输。中国的量子通信技术创世界之最, 并且在银行业首次得到成功应用, 这两场重头戏, 彻底地打响和提高了量子通信在公众面前的知名度与活跃度。
那么, 岁末年初闯出来的这只“黑马”究竟是什么来头?引用国际顶级量子专家王肇中教授的话, 量子通信就是单模光纤两端加上能代替常用光模块功能的、光量子态的发送和接收设备, 实现基于物理加密的保密通信。
传统的保密通信分为加密、接收、解密3个过程, 量子保密通信的过程与之相同, 只不过加密与解密的密钥改用微观粒子携带的量子态信息。简单地说, 微观世界里, 有共同来源的两个微观粒子之间存在纠缠关系, 若一方状态发生改变, 另一方的状态也会相应作出变化, 而这种相互感应的关系不受双方空间距离的限制。正是这幽灵般的相互作用, 为信息社会的安全通信带来了福音。
一直以来, 保密通信始终是非常重要的科研领域, 且历史悠久。古人的信件常以火漆封口, 一旦拆封便会留下泄密痕迹, 运用于量子通信系统中的量子密码同样有此神技, 因此, 量子通信堪称不可破译的通信方式。基于量子不可克隆的原理, 任何干扰量子密码的操作都会改变量子的状态, 有人即使截获了量子密码, 得到的终究是毫无意义的信息, 同时, 信息的合法接收者也能从量子状态的改变中得知该密码曾被截获。目前, 在量子通信的两种方式中, 量子密码通信应用最为成熟, 另一种方式称为量子隐性传送。
全球竞技热
量子密码通信真正闯入科学研究领域是在1984年。这一年, IBM华生实验室工程师本奈特和布拉萨德提出了全新的通信协议。由于量子通信在多领域潜在的应用价值和发展前景, 此后便掀起了国际量子通信的竞技狂潮。
美国是最早将量子通信纳入国家战略、国防和安全研发计划的国家, 世界第一个量子密码通信网络正是由美国投入运行, 它位于马萨诸塞州的剑桥城, 网络传输距离约为10千米。目前, 一套辐射美国主要城市、总长超过1万千米的环美量子通信网络正在悄悄酝酿。
日本将量子通信技术作为国家级高技术列入开发计划始于2000年。与其他国家不同的是, 各大电子工业巨头的加入带来了持续不断的更加稳定的光源和更为紧密的探测器, 为日本量子通信技术迈向实用化, 以及实用化后的运用水平贡献良多。
“欧洲量子科学技术”计划和“欧洲量子信息处理与通信”计划, 是欧盟在欧洲核子中心和航天技术采取国际合作后的又一大规模国际合作。此外, 还专门成立了包括英国、法国、德国、意大利、奥地利和西班牙等国在内的量子信息物理学研究网。种种推进, 足以窥见欧盟在发展量子通信方面的宏图战略。
中国跻身第一方阵
基础研究势如破竹
鉴于量子通信仅有30年的发展历史, 且中国涉足量子通信领域的研究时间与发达国家相差无几, 因此, 在这个高精尖的科技领域, 中国没有特别沉重的历史包袱。在国际化的竞争中, 中国在应用研究的多个方面势如破竹, 其中, 城域量子通信的关键技术已达世界先进水平, 与欧美发达国家旗鼓相当。
中国能有如此高的成就, 离不开科研专家以及高校、科技企业的协同合作, 在这里不得不提的是华人顶级量子通信专家潘建伟教授及其科研团队。
早在上世纪90年代, 在国外留学的潘建伟教授便开始投入量子通信的研究中。当时在奥地利进行的“量子态的隐性传输”试验, 堪称国际上的首次实现。在过去的十余年间, 他带领自己的研究团队, 屡次在量子通信领域获得突破性进展。其一, 在光子纠缠态的制备与操纵上连续刷新了世界纪录, 在8年的时间里分别实现了五光子、六光子以及八光子多光子纠缠态的操作, 与欧美发达国家的研发水平拉开了一段距离;其二, 扫除了量子通信中的一大绊脚石, 完成了广域量子通信网络和全球网络亟须解决的“量子中继器”的实现与操作;其三, 验证并实现了一次又一次的长距离量级的自由空间量子隐形传态和双向纠缠分发, 为基于卫星的广域量子通信以及大尺度量子计算、量子信息技术应用与实施奠定了坚实基础。
应用研究并行
量子通信绝非仅仅是概念上的创新。随着信息技术手段的不断升级, 保密措施也变得愈加复杂, 特别是在国家大力推行信息安全战略的背景下, 凭借着保密性强这一绝对优势, 并在信息传输容量、传输速度等方面有着革命性的突破, 如今的量子通信已在若干方向实现了初步的实用化。
在军事、国防等国家级保密通信方面, 中国已在世界各国面前作出表率。建国60周年国庆阅兵期间, 在通信量不少于一场战役的大阅兵的关键时期, 量子保密通信热线出色地完成了通信保障任务, 使中国一跃成为首个将这种技术实用化的国家。
近日, 中国工商银行将量子通信技术应用于电子档案信息在同城间的加密传输, 实现了该技术在国内银行业的首次应用, 这再一次证明量子通信在多元领域的应用价值。
人人皆知, 银行乃金融命脉。在信息化时代, 随着金融市场的日趋成熟, 各项业务不断推陈出新, 整个园区的网络安全承载了该银行系统的稳步运营, 而信息也成为极其重要的商品。因此, 如何有效地保护信息安全、管理和维护银行系统安全, 也成为银行业网络建设时需要解决的主要问题。出于灾备的需求, 目前银行业在内的高端用户多采用“两地三中心”的建设方案, 未来量子通信能否在这方面作出技术性的革新, 非常值得期待。
按照预定的研发和推广计划, 我国正在逐步构建量子通信全国架构的局面。针对信息安全要求较高的政府、金融、医疗等用户, “合肥城域量子通信试验示范网”已于2012年完成, 网络覆盖合肥主要城区, 连接40组“量子电话”用户和16组“量子视频用户”;而在2014年投入使用的“济南量子通信试验网”, 则面对用户的日常需求, 实现安全的文件传输和视频、语音通信;同年, 世界第一条量子信息保密干线——“京沪干线”量子通信工程也紧锣密鼓地开工建设, 预计两年后交付。
研究与应用并行, 可见在量子通信领域, 中国绝非坐谈之客。
量子通信前景瞻观
“神坛”模式有争议
对传统的通信而言, 实现信息的传输是其基本目的, 如当下流行的文件、视频和语音等经典通信形式。而当前量子通信在全球的应用研究, 主要还是传输密钥的方式, 该应用现象导致业内人士对量子通信开启的“神坛”模式有所争议。
他们提出的疑义是, 回顾国内已建成使用的合肥、济南量子通信试验网, 仅仅是对量子密钥分发的实现, 即便是中国即将发射的量子通信试验卫星, 也只是通过量子态解决保密问题, 而非传输大容量数据。因此, 称为“量子通信”实属勉强。
对此潘建伟给出了一个国际上的解释, 量子隐形传态、量子纠缠交换和量子密钥分发等若干技术统称为量子通信。很明显, 这种定义趋向广义, 认为量子通信是通过量子态来传递信息, 无论是经典信息亦或是量子信息。他认为, 基于现有技术水平的限制, 目前量子通信的技术优势的确是主要体现在安全性方面, 而大容量传输的实现与提高, 今后有可能借由容错编码、密集编码等技术研究来实现突破。
另外, 出于隔空取物的神往, 部分人相信, 有了量子通信技术的辅助, 就能实现文件等信息的瞬间传递, 即前文所提的“超光速通信”。这种观点遭到了北京计算科学研究中心量子光学与量子信息实验室游建强教授的否定, “完全通过量子纠缠, 不可能传递所有的信号, 纠缠是一个物理现象, 不可能加载全部的信息。”他认为, 这在科学上是不准确的。
虽然理论上量子通信并没有传输介质的限制, 但在现实运用中, 无论是哪种量子传输方式, 都需要传统的通信技术的参与。显然, 这一辟谣同时也说明了, 量子通信实际上是量子网络与传统通信的相结合, 不可能存在完全替代传统通信技术一说。
中国的路径选择
目前, 欧美主要国家都投入重金用于量子通信的研发应用, 可以说, 纵然长路漫漫, 但谁获得先机, 谁就掌握了发展的主动权。而在这场长跑竞赛中, 回首过去, 从研发的硕果累累中可以看到, 中国始终位列第一方阵;展望未来, 中国在量子通信领域又将如何选择?
一般情况下, 对一件新产品的考验, 无非就是技术和市场两项因素, 量子通信也不例外。从技术的角度分析, 摆在眼前有3个技术瓶颈, 分别是单光子源、量子中继器以及量子存储。基于现有技术的限制, 由于找不到理想的单光子光源和完美的量子中继器, 潘建伟团队研发了基于光线诱骗态实现量子密钥分发, 而实现远程量子通信亟须的量子中继器则可以用卫星代替。
然而, 没有产业化作支撑, 技术的实现也将是无源之水。走出实验室并走向市场, 这是各国都在努力的方向。国内的量子通信技术水平已达国际领先水平, 下一步便是要着重于定位的问题。部分专家认为, 量子通信是现有传统通信的互补, 两者融合是一个取长补短的过程, 因此, 它应该有不同于传统通信的发展路径, 量子通信应专注于重点领域的发展需求, 而非现有网络广撒网的性质。
量子通信：中国“弯道超车” 篇11
2016年8月16日凌晨，人类历史上第一颗用于量子通信研究的“墨子号”量子科学实验卫星，在中国酒泉卫星发射中心发射升空，该卫星将配合多个地面站实施星地量子密钥分发、星地量子纠缠分发和地星量子远程传态等量子通信领域的实验。
除了基础科学前沿领域的突破性进展，它也是人类尝试通过地面站与地面光纤量子通信网络链接，为未来覆盖全球的天地一体化量子通信网络积累技术基础。
此外，由中国科学技术大学承建、2013年国家批准立项、我国量子通信领域另一重大工程——“京沪干线”，按计划也有望于2016年年底建成。该干线连接北京和上海，全长2000余公里，是世界首条量子保密通信主干网，将大幅提高我国军事、政务、银行和金融系统的安全性。
量子通信的“特异功能”在于“一次一密”，一旦通信被窃听通信双方都能立刻发现。
“墨子号”和“京沪干线”两大工程的实施，不但扩大了我国在量子通信领域世界领先的优势，还将有力提速量子通信的产业化进程。按中国科技大学常务副校长、中国科学院院士潘建伟的预测，也许在15年之后，每个人都可以用上无条件安全的量子手机。
可以说，量子通信正展现出前所未有的前景和机遇。
童话与现实
“我们想用名字提醒大家，中国人也可以做很好的科学。从前有，现在有，将来会有更多。”作为量子通信卫星首席科学家，潘建伟如是介绍“墨子号”名称的由来。
8月16日“墨子号”成功发射后，潘建伟立即成了“网红”。他的身影出现在多个论坛或讲台，面向不同的群体讲解量子通信。9月1日，在北京中关村一小，潘建伟还受邀为小学生们上了普及量子常识的开学第一课。
在每个公开场合，潘建伟所有的演讲，总离不开两个问题：量子通信厉害在哪里？中国的量子通信又有多厉害？对这一缺乏日常感知的新技术，有人“不明觉厉”，也有人不觉生疑。
即使是“墨子号”上了天，对于量子通信的技术可行性等方面的一些质疑也依然存在。一个说法是，相比传统通信，量子通信目前有许多技术上解决不了的缺陷，量子通信并非“正道”。
“中国人在科学技术上一直不自信。有这种声音是正常的。在量子通信这个高科技领域，中国领跑了世界，听起来像个童话，但这已经是现实。”一位多年研究量子通信的专家如是评价。
阿里巴巴集团首席技术官王坚也说：“以前我们在科学技术发展方面总是处于追赶者位置，向世界去寻求答案，但这次，我们有机会给世界一个提问的机会。”
据潘建伟介绍，量子通信的“特异功能”在于“一次一密”：在量子密钥分发过程中，其每个信息都依靠单个光子传送。它不可分割，不可克隆，一旦通信被窃听，通信双方都能立刻发现。
“量子通信相比于经典通信的最大优势是安全性。”科大国盾量子总裁赵勇说，它不依赖于算法的复杂度，具有无条件安全性。不过，他也认为，在其他方面，量子通信与经典通信相比优势并不明显。
“可以用一个经典的比喻，量子通信好比火车，经典通信好比马车。火车刚出来的时候，在很多方面不如马车。例如火车只能在铁轨上跑，马车可以去任何地方。火车还经常出毛病。但即使有这些缺点，有远见的人还是能看明白，火车的发展空间远远大于马车，未来一定属于火车。”在《这些否定量子通信的说法，为什么是错的？》一文中，中国科学技术大学博士袁岚峰这样写道。
“有没有量子通信，不是80分和90分的区别，而是0和1的区别，甚至生和死的区别。”袁岚峰表示，非理性否定量子通信的说法对社会的危害不小，需要认真对待。
“中国速度”
争议的产生，或许是因为量子通信在中国发展得太快了，远超常人想象。
以“墨子号”通信卫星为例，该项目从2011年立项到2016年发射，只用了5年时间。而在过去的10多年时间，量子通信在中国的发展更是如同一列飞奔的火车，期间创造了多个“世界第一”：
2003年，首次实现纠缠态纯化以及量子中继器的成功实验，首次成功地实现了自由量子态隐形传输;
2008年，利用冷原子量子存储技术，在国际上首次实现了具有存储和读出功能的纠缠交换，建立了由300米光纤连接的两个冷原子系综之间的量子纠缠;
2014年11月，将可以抵御黑客攻击的远程量子密钥分发系统的安全距离扩展至200公里，并将成码率提高了3个数量级，创下新的世界纪录……
就在“墨子号”发射约一个月之后，国际权威学术期刊《自然·光子学》“不经意”又“暴露”了中国量子通信领域的一项重大进展。
在2012年建成、覆盖合肥主城区、拥有46个节点的合肥量子城域通信试验网上，潘建伟的科研团队与相关合作单位首次实现了预先纠缠分发的独立量子源之间的量子态隐形传输。
量子隐形传态是基于量子纠缠特性出现的一种新型通信方式。根据量子力学研究，一旦两个量子之间产生了“纠缠”关系，那么无论相隔多远，一个量子的状态发生变化，另一个也会瞬时相应变化。量子隐形传态相当于将甲地某一粒子的量子信息在乙地另一粒子上还原出来，被传输的物体就像是进行了一场“穿越”。
但是，要实现这场“穿越”，必须达到“纠缠态预分发”、“独立量子源干涉”和“前置反馈”三个要素，之前国际上还没有任何一个量子隐形传态实验能同时满足要求。而在合肥量子城域通信网络的30公里光纤上，科研人员完成了满足上述三要素的量子隐形传态实验，这被视作我国未来构建可扩展的大规模量子网络奠定了基础。
潘建伟团队的科研人员告诉《财经国家周刊》记者，未来的量子信息传输网络是广域量子通信网络，建设这个网络，必须要有的一个基本通信方式就是量子态隐形传输。“它们实现的是城域网传输，城域网是实验床，未来会有很多新想法可以在这个网络里进行。”
合肥量子通信城域试验网是全球首个拥有规模化量子通信网络的城市。除了中国科技大学的所在地合肥外，2013年11月，济南量子通信试验网也投入使用，覆盖济南市主城区，包括三个集控站在内共56个节点，涵盖政务、金融、科研、教育等领域，是迄今为止世界上量子节点、用户数量、业务种类和“密钥”发放最多的、规模最大的量子试验网，每天为数以百计的用户单位提供语音电话、传真、文本通信和文件传输等量子通信业务。
我国量子通信的另一项重大工程——量子保密通信线路“京沪干线”，正是在合肥、济南这些城域网支点基础上建设，就此形成一条绵延2000多公里的广域光纤量子保密通信骨干线路。
按照潘建伟的设想，希望通过10到20年的努力，构建一个天地一体的全球化量子通信网络，最后构建基于量子安全保障的地面通信网络。
天上有卫星、地上有干线，在“中国速度”下，一张天地一体的量子通信大网已经初具雏形。
“量子星群”蓝图
不过，要真正实现量子通信的规模化应用，这一切还只是刚刚开始。
据科研人员介绍，要实现量子密钥传输，目前主要有可信中继站和星地量子通信两条路径。在可信中继站的探索上，通过中继器放大信号，保证密钥的传输与安全，这一途径依托的是在建的“京沪干线”。而星地量子通信方面，则是依托“墨子号”量子卫星，潘建伟团队通过实验，验证了微弱的量子态在穿越大气层后是可有效保持的，且每秒可传送1万个密钥。
不过，目前这两条路径都存在一些难题。
中国信息通信研究院高级工程师赵文玉说，目前国内应用的量子密钥分发技术存三个不足：一是传输的距离比较短;二是量子密钥生成的码率比较低;三是长距离的传输必须部署中继。即使是拥有了一批可信中继站，在中继节点密钥要进行交换，这在某种程度上会引入新的安全风险，降低量子密钥分发的安全性。
而卫星传送方面，目前的传送能力远远满足不了需求。潘建伟介绍，一颗卫星从轨道上每天经过上海大概只有一轨，也就只有几百秒，每秒钟可以送1万个密钥，几百秒也只是传送几百万密钥的信息。因此，一颗卫星还远远不够。
无论是“京沪干线”还是“墨子号”量子通信卫星，承担的都是“中介”功能，实现卫星和地面之间的量子通信，需要结合地面已有的光纤量子通信网络，初步构建一个广域的量子通信体系。
“我们希望通过10到20年的努力，构建一个天地一体的全球化量子通信网络，最后构建基于量子安全保障的地面通信网络。”潘建伟接受媒体采访时介绍说。
按照他的设想，未来5年，需要至少两颗卫星上天，以此解决卫星与卫星之间通讯全天时的问题。再通过10年左右的努力，形成“星群”，与地面的台站结合，逐步构建起天地一体的量子通信广域传输网络。
“这意味着，未来5到10年内，我国有望建成天地一体化的量子通信网络，实现全球量子化通信。”科技部973青年项目首席科学家、中国科技大学教授张强说。
产业元年
“量子星群”蓝图也许10年之后才能绘就，但在不少业内人士看来“量子称霸”时代已经到来，2016年就是量子信息的产业化元年。
积极的信号首先来自于国家战略和政策层面。
10月9日，中央政治局就实施网络强国战略进行第三十六次集体学习，习近平总书记指出，要实施网络信息领域核心技术设备攻坚战略，推动量子通信等研发和应用取得重大突破。作为事关国家信息和国防安全的前沿技术，量子通信再一次为中国最高决策层所强调。
今年4月，习近平总书记在中国科学技术大学考察时，对量子通信研发工作给予高度肯定。
7月20日，李克强总理主持召开的国务院常务会议上，通过了“十三五”国家科技创新专项规划，要求在量子通信等重点领域启动一批新的重大科技项目。据知情人士介绍，今年年底或者明年年初，支持量子信息产业发展的国家级专项基金有望设立。
伴随着国家战略、政策扶持和引导，资本聚集加速，量子通信产业正迎来爆发点。
量子通信产业主要包括元器件、设备、建设运维、运营应用四个环节。这其中，无论哪一个环节都充满商机。
“中国在量子通信领域的产业化进程大大超过欧美国家，已处于产业化发展前期。”天风证券首席策略分析师徐彪告诉《财经国家周刊》记者。尤其在产业链的核心环节——量子设备与解决方案提供领域表现突出，全球主要的4家量子设备与解决方案提供商中，有两家来自中国。“然而，在核心零组件环节还主要依赖进口，亟待突破。
中国的产学研用各界也正在努力突破这一瓶颈。9月12日，由清华大学和九州量子通信技术有限公司共同筹建的量子网络联合实验室揭牌。
据九州量子总裁曹文钊介绍，从具体业务领域来看，联合实验室将重点攻克长程量子网络中关键量子器件的研究，促成量子网络技术在产业化中的应用，重点关注量子网络关键器件的研发及量子保密通信网络方案的分析与优化，尤其在量子中继、量子密码和量子测量等当今量子信息界的重要难题方面，联合实验室的成立将起到重要推进作用。
而早在去年年底，国科控股、科大国盾量子、阿里巴巴、中兴通讯等发起组建“中国量子通信产业联盟”，联盟将通过整合在技术研发、核心制造、基础设施、应用服务、大数据、互联网以及科技金融等领域代表性核心企业和研究机构的优势资源，促进创新链、产业链与资本链的联动，做好产业顶层设计与战略规划，推动标准规范的建立健全，构筑可持续发展的量子通信产业生态系统，打造世界领先的量子通信产业。
根据中投顾问的预测，国内量子通信短期市场规模在100亿—130亿元左右，长期市场规模将超过千亿。随着量子通信商业化进程的推进，产业链上中下游将持续受益。
量子通信技术 篇12
一、量子通信技术的发展现状
在量子通信的概念上, 不同的角度对其有不同的表述。总体来说, 量子通信是一种新型的通信方式, 是量子力学和通信科学的综合产物, 它通过对量子纠缠效应的利用来传递信息。量子通信的基本思想主要包括两部分, 一为量子密钥分发, 二为量子态隐形传输。通过量子密钥分发可以对安全的通信密码加以建立, 在一次一次的加密方式下, 点对点方式的安全经典通信便得以实现, 且这种安全性已经被数学严格证明, 是迄今为止经典通信仍然做不到的。百公里量级的量子密钥分发, 目前的量子密钥分发技术能够轻松完成的, 在光开关等技术辅佐下量子密钥分发技术还可以实现量子密钥分发网络。量子态隐形传输是一种物理载体, 能促使量子态 (量子信息) 的空间转移的同时又不移动量子态的实现, 类似于将从一个信封内将密封信件内容转移到另一个信封内且信息载体自身并不会被移动, 这种经典通信中无法想象的事是基于量子纠缠态的分发与量子联合测量完成的。量子中继器这种以量子态隐形传输技术和量子存储技术为基础的技术可以促使任意远距离量子密钥分发及网络的实现。
量子力学诞生于1926年, 是人类对微观世界加以认识的理论基础之一。量子力学和相对论之间的不相容性在1935年被爱因斯坦、波多尔基斯和罗森论证后, 约翰·贝尔于1964年提出贝尔理论, , 阿斯派克等人于1982年证明了超光速响应的存在。1989年第一次演示成功量子密钥传输, 1997年量子态隐形传输的原理性实验验证由奥地利蔡林格小组在室内首次完成, 2004年, 该小组又将量子态隐形传输距离成功提高到600米。2007年开始我国架设了长达16公里的自由空间量子信道, 于2009年成功实现世界上量子隐形传态的最远距离。
二、量子通信技术的发展趋势
量子通信技术的研究方向除了包括量子隐形传态还包括量子安全直接通信等, 突破了现有信息技术, 引起了学术界和社会的高度重视。与传统通信技术相比, 量子通信除具有超强抗干扰能力外且不需对传统信道进行借助;与此同时量子通信的密码被破译的可能性几乎没有, 具有较强的保密性;另外, 量子通信几乎不存在线路时延, 传输速度很快。量子通信发展仅仅经历了20年左右, 但其发展却十分迅猛, 目前已经被很多国家和军方给予高度关注。
量子通信在国防和军事上具有广阔的应用前景, 作为量子技术的最大特征, 量子技术的安全性是传统加密通信所无可企及的。量子通信技术的超强保密性, 能够有效保证己方军事密件和军事行动不被敌方破译及侦析, 在国防和军事领域显示出无与伦比的魅力。另一方面, 在破解复杂的加密算法上, 也许现有计算机可能需要好几万年的时间, 在现实中是完全无法接受且几乎没有实用价值的。但量子计算机却能在几分钟内将加密算法破解, 如果未来这种技术被投入实用, 传统的数学密码体制将处于危险之中, 而量子通信技术则能能够抵御这种破解和威胁。此外, 在民间通信领域量子通信技术的应用前景也同样广阔。中国科技大学在2009年对界上首个5节点的全通型量子通信网络进行组建后, 使得实时语音量子保密通信被首次实现, 城市范围的安全量子通信网络在这种“城域量子通信网络”基础上成为了现实。
各国正是瞅准了量子通信技术的无限应用前景, 纷纷加大对量子通信技术方面的投入力度。在未来的量子通信技术还应注意一些关键性的问题, 如单光子源成本的降低、通信传输距离的加大以及检测概率的增强等, 都仍需要进一步的研究。
摘要：随着科学技术的迅猛发展, 量子力学在二十世纪引起了学术界的广泛关注。进入二十一世纪后, 在世界电子信息高速发展的大环境下以量子效应为基础的量子通信技术也随之进一步发展。本文主要对量子通信技术的发展现状及发展趋势和应用进行研究。
关键词：量子通信技术,发展现状,趋势,研究
参考文献
[1]新华.量子通信走进人们日常生活[J].军民两用技术与产品, 2011, 6 (06) :55-57
[2]池灏, 章献民, 朱华飞, 陈抗生.量子密码的原理、应用和研究进展[J].光电子·激光, 2010, 1 (01) :133-134
[3]宋海刚, 谢崇波.量子通信实用化现状分析与探讨[J].中国基础科学, 2011, 3 (03) :80-82