淺談量子通信理論及其應用

萬駿

摘 要 近幾年，量子通信實現了高效發展，在信息安全傳輸方面取得了良好的成績。文章以量子通信理論作為主要研究課題，首先分析了量子通信的基本原理，主要包含有BB84協議及光子數分離攻擊，而后概括了其體系架構，最后詳細分析了量子通信的應用現狀及應用前景，以期推動量子通信技術的進一步發展。

關鍵詞 量子通信；協議；應用前景

中圖分類號 TN91 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）207-0100-02

量子通信指的是以量子態及量子糾纏效應為基礎來實現信息或密鑰傳輸的一種通信方式，在量子力學原理的基礎上，可以實現絕對性安全，為被監控和被竊聽提供安全保證。在量子力學及量子信息技術的指引下，精確操控光子和原子等微觀粒子得到了實現，同時，還可以針對信息實施編碼、存儲、傳輸、運算以及調制。目前，量子通信主要涉及到量子密鑰分發、量子秘密共享、量子數字簽名、量子隱形傳態、量子中繼、量子數據鎖以及量子指紋識別等方面。隨著信息技術的不斷快速發展，在目前這個復雜的安全形勢下，量子通信發揮著重要的作用，量子通信以量子力學原理為基礎，在通信方面運用微觀視角下的物質特性，在高速傳輸及高可靠保密通信方面有著極大的優勢，已成為當下科技的主要研究和發展方向。本文則基于此對量子通信理論及其應用進行了詳細的探討。

1 量子通信的基本原理

對于量子通信，基于概念的視角來看，指的是通過量子介質所具有的信息傳遞功能來實現通信的一種方法?；诩夹g原理的視角來看，量子通信就是通過量子具有的糾纏效應來實現傳遞信息、傳輸數據的一個較為先進的通信技術。

1.1 BB84協議及其安全性

與經典通信比起來，量子通信最大的優勢是它能夠保證嚴格數學證明時候的安全性（絕對安全性）。為了使保密通信絕對安全，Benett與Brassard在1984年時研究出世界上第一個量子密鑰分發協議，也就是非常有名的BB84協議。BB84協議可以讓通信雙方在很遠的兩個地方就能夠持續地建立密鑰，但前提是雙方都要完成認證，從而利用一次一密密碼本加密協議來保證通信的安全。這一辦法的安全性是以量子力學中的基本的兩個原理為基礎：單光子所具有的不可分割性以及單光子量子態時所具有的測量塌縮性。

1.2 光子數分離攻擊

因量子通信通道非常容易被損耗，當距離大于100km時，結合探測效率來看，其效率將會在整體上低于千分之一。以相關理論為基礎，就算處于高損耗通道下，理想單光子源依然可以保持絕對安全狀態，但是，同樣處于高損耗通道下，系統真正運用的弱光卻有著不一樣的結果：在此過程中，竊聽者能夠假裝為通道損耗，以光子數分離攻擊為基礎來得到具體的密碼。以偏振空間為例，其實弱相干態脈沖是由單光子和多光子脈沖結合而構成的。也就是說在非真空脈沖中，一部分為單光子，一部分為多光子（即2光子或3光子等）。在多光子脈沖中，其涵蓋了大量的全同偏振光子。對于竊聽者來說，其能夠保存一個光子，將其他的光子分離，并傳送給遠程合法用戶。竊聽者能夠像合法用戶一樣，在不擾亂合法用戶的光子偏振態的情況下，擁有同樣的偏振光子。也就是說竊聽者能夠在隱秘的情況下完整的獲取信息。合法用戶不會發覺竊聽者的這種行為，這主要是由于竊聽者能夠隨時對各單獨脈沖進行調整，以控制通道衰減系數，進而把控好合法用戶的探測器計數率，使之與高損耗自然通道相統一。

2 量子通信的體系架構

量子通信的體系架構主要包含有量子態發生器、量子通道以及量子測量裝置等幾個部分，圖1即為其基本模型。

量子通信系統的主要部件是由量子態發生器、量子通道以及量子測量裝置所構成的。按其所傳送的信息可以將它分為兩類，若其所傳送的信息為經典信息則一般用來傳輸量子密鑰，若其所傳送的信息為量子信息，則一般用來分發量子隱形傳態以及量子糾纏?，F階段在量子通信系統在實際工作的應用中，通常采用“量子信道+輔助經典信道”的辦法進行分發非理想類的量子密鑰又或者是量子密碼通信。在經典信道的輔助下，通信雙方通過量子信道來完成量子信息的交互與同步，獲取量子密鑰。

3 量子通信的應用現狀及前景3.1 量子通信的應用現狀

目前，量子通信不但在軍事、國防、金融這些領域起到非常重要的作用，而且還很大程度地推進了我國國民經濟的發展。在1993年美國IBM的研究者研究出量子通信理論之后，美國國內的科學基金會、國防高級研究計劃局都加入了這一項目的研究。瑞士、法國這些歐美國家也專門成立公司來對量子通信進行商業研發。2012年2月17日，合肥市成功設立城域量子通信實驗示范網，并正式投入了運行，一共包含有46個節點，光纖為1 700km，以6個接入交換及集控站為基礎，將40組“量子電話”用戶及16組“量子視頻”用戶連接起來。2013年5月，中科院第一次完成了星地量子密鑰分發的全方位地面試驗。2013年11月，濟南成功設立量子保密通信試驗網，其中包含有3個集控站以及50個用戶節點。

我國已經將量子通信、量子計算納入了“十三五”規劃之中，并將其提高到信息網絡安全戰略層面進行布局謀劃。2016年8月16日，我國發射了世界上第一顆量子通信衛星“墨子號”，并在“天宮二號”上測試成功。2017年初，量子保密通信“京滬干線”全線貫通，該項目的總長度為2 000多公里，把北京、濟南、合肥、上海的城際量子通信網緊緊的連到了一起。現階段我國通過光纖的城域以及城際量子通信技術實行實用化和產業化已領先于其他的國家很多。

預計到2030年，中國的量子通信衛星網會發展到世界各地。量子通信和我國信息安全的戰略性技術和產業息息相關，有著廣泛的發展潛力，量子通信的絕對安全已經應用于相關領域，將為我國信息安全產生深遠意義。要推進量子通信技術逐步完善以及實際應用，必須加大政策、資金支持力度和相關專利、標準編寫，大力弘揚“兩彈一星”和“偉大長征”精神，充分利用“互聯網+”和“工業制造2025”平臺，通過大眾創業萬眾創新和“彎道超車”，建設信息網絡強國，確保國家信息網絡的絕對安全。

3.2 量子通信的應用前景

不論是在國防軍事、深海航天領域，還是在國民經濟、科教文衛等領域，量子通信都展現出非常廣泛的利用價值。自理論到實驗，量子通信正逐漸趨于實用化。在長期的研究下，量子密鑰分配（QKD）技術已逐漸發展成熟，慢慢朝推廣試用期進行邁入，屬于量子通信技術朝實用化方向進行發展的重要體現。當前，量子隱形傳送（QT）、量子安全直接通信（QSDC）以及量子機密共享（QSS）等都屬于量子通信的前沿理論，并得到了廣大科學家的探索與實驗研究，而其要想真正實現實用化與產業化還需要一定的時間。所以，接下來，不但需加強量子通信技術的研究與研發，對信息安全解決方案進行全面的探索，同時，還需加強其科技成果的轉化與運用，以量子通信核心關鍵設備開發為基礎，不斷推動量子通信產業及相關企業的發展。在此過程中，政府需投入大量的資金，并加強量子通信產業人才的培養，不斷儲備專業人才。量子通信網絡和現有網絡的結合屬于當前的主要發展方向，將來，還會在專網、公眾網、云安全以及星地等方面進行更廣泛的運用。

總而言之，相比傳統的通信來說，量子通信具備諸多優點，如安全保密性強、傳輸速度快、時效性高以及無電磁輻射污染等，這些優點對于量子通信技術得到更廣泛的運用奠定了基礎，是其廣闊前景的象征。

4 結論

本文通過詳細探討量子通信理論，分析了量子通信的基本原理，并介紹了量子通信的體系框架，而后對量子通信的應用現狀及應用前景進行了詳細的分析?？偠灾?，量子通信技術有著廣闊的應用前景，其具備高效性、絕對安全性等特點。量子通信技術的發展不但帶來了機遇，同時也伴隨著挑戰，對于科技產業的發展有著非常重要的影響。在未來，其將成為世界通信領域發展的主要方向和熱點。

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