淺析量子通信技術及其發展前景

摘 要：隨著無線通信的不斷發展，近年來，量子通信技術不斷取得突破性的進展，量子通信與傳統通信相比有較高的傳輸速率及更可靠的保密性。量子通信技術已經成為全球研究和發展的通信技術熱點之一。文章通過介紹量子通信技術的定義與量子通信系統模型，闡述了量子通信技術國內外發展現狀，并基于現有技術水平對量子通信技術的未來發展作出了展望。

關鍵詞：無線通信技術；量子通信技術；發展現狀；未來展望

1 量子通信技術的定義

量子通信是作為一種由量子論和信息論結合產生的新興通信技術，是利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型通信技術[1]。不可分的最小能量單位是量子，同理，光的最小能量單位是光量子。20世紀初，物理學界在研究微觀粒子的運動規律過程中建立起來的量子力學，是之后量子通信理論研究的基礎。

我們可以利用量子特有的糾纏效應進行通信，以確保通信過程中的絕密性和安全性。它從物理學的角度來看，量子通信是在物理極限下利用量子效應現象完成的高性能通信，在物理原理上確保通信的絕對安全，解決了通信技術無法解決的問題，是一種全新的通信方式[2]。

2 量子通信技術國內外研究現狀

對量子通信技術進行研究及發展是人類從20世紀80年代開始的。20世紀90年代初期，IBM公司的一個重大成果從此拉開了量子通信實驗研究的序幕。其以10bit/s的傳輸速率，32cm的傳輸距離成果，成為了世界上第一個量子信息傳輸。

國外量子通信研究方面，Zeilinger領導的歐洲聯合團隊，美國Los Alamos國家實驗室等都是比較領先的科研機構。美國的IBM實驗室、德國西門子公司、英國電話電報公司等一系列國際著名的公司也在積極推動量子通信的商業化。國內量子通信方面研究理論方面起步相對緩慢，但是，中國科學院物理所在1995年首次以BB84協議方案在國內完成了演示實驗，在量子通信的實驗部分幾乎與國外同步（圖1）。

當前，世界各國學者對于量子通信技術開展的研究，主要集中在量子密鑰分配（QKD，Quantum Key Distribution）、量子隱形傳態（Quantum Teleportation）、量子安全直接通信（QSDC，Quantum Secure Direct Communication）、量子機密共享（QSS，Quantum Secret Sharing）等4個方面[3]。

目前，日本通過洲際合作建成了多節點城域量子通信網絡（Tokyo QKD Network），其規劃從2020年開始建設全國性高速量子通信網，至2040年建成極限容量的廣域量子通信網絡；歐盟同時也提出了遠距離量子通信實驗計劃（Space-QUEST），這一實驗計劃是以國際空間站為平臺。我國在量子通信方面也取得不少成果，使得我國在國際上處于該領域的前列。在2009年國慶60周年閱兵關鍵節點構建“量子通信熱線”，經歷了重大應用考驗，全面檢驗了技術水平。

3 量子通信技術的體系架構

量子通信體系架構的基本模型如圖2所示。

量子信源、量子編解碼、量子調制解調、量子傳輸信道、量子信宿等八個部分組成了量子通信系統。量子信源是量子信息產生器，量子編碼將量子信息轉化成量子比特通過信道進行傳輸。量子傳輸信道是傳輸量子信息的媒介，量子輔助信道是除量子傳輸信道與測量信道之外的附加信道。量子噪聲是通信環境對量子信號產生的影響等效描述。量子解碼將量子信息比特轉化成信息，量子信宿用來接收信息。目前，一般采用“量子信道+輔助經典信道”完成非理想的量子通信。

4 量子通信技術的特點與優勢

與傳統的通信技術相比，量子通信技術的特點及優勢體現在以下幾個方面：

（1）具有較高時效性。量子通信線路時延幾乎為零，信息傳遞速度快，過程無障礙。

（2）具有較強的抗干擾性。不通過傳統信道進行信息傳輸，與通信雙方之間傳播媒介無關。

（3）具有較好的保密性。這是由于量子不可克隆定理決定的。

（4）相比于傳統的通信手段，同等條件下量子通信技術獲得可靠通信所需的信噪比低30-40dB。

5 量子通信技術的前景展望

量子通信技術憑借其明顯的特點和優勢，在未來具有較好的應用和發展前景。對于空間大容量、遠距離、易組網等要求，量子通信技術可以滿足以上要求，并實現高清晰度圖像等大容量超高速數據的傳輸；對于軍事、國防、國民經濟建設等領域完全保密通信的要求，量子通信可以全部達到；對于空間信息傳輸等技術的研究，許多國家已經取得了一定的成果，量子通信的普遍應用將加快這一進程的發展；量子通信憑借其通信時延為零將為人類探索宇宙空間的進程奠定基礎。

6 結束語

量子通信技術作為一種新興的通信技術，將帶來通信技術領域新一次的劃時代革命。相比于現今采用的通信技術，量子通信的優勢極為明顯，主要體現在保密性、通信距離以及通信容量這幾個方面。未來通信技術的發展方向將是：借助廣域量子通信網絡，實現安全移動應用，將有線與有限變為無線與無限。雖然量子通信有著廣闊的應用前景，但在理論方面與單元技術方面還存在許多問題亟待解決。在國民經濟迅速發展的大背景下，我們需要對量子通信這一領域加大投入和研究力度，為人類進入量子信息時代的夢想不懈努力奮斗。

參考文獻

[1]徐啟建，金鑫，徐曉帆.量子通信技術發展現狀及應用前景分析[J].中國電子科學研究院學報，2009，4（5）：491-497.

[2]陳輝，朱甫臣.一次量子通信QKD和QA協議[J].通信技術，2003，6（6）：1-5.

[3]鄧富國.量子通信理論研究[D].北京：清華大學，2004：104-106.