專題：量子通信技術

特邀策劃人

教授，博士生導師。北京郵電大學電子工程學院執行院長，信息光子學與光通信國家重點實驗室副主任。教育部光電教指分委協作委員。享受國務院政府特殊津貼專家，入選國家百千萬人才工程，有突出貢獻中青年專家。長期從事光電信息領域科研和教學，主持承擔了國家自然科學基金重點項目、國家863計劃項目、國家973計劃課題等，榮獲國家科技獎3項、國家級教學成果獎1項，成果曾入選國家“十二五”科技創新成就展、2018年和2019年全國科技活動周展示。主要研究方向：光網絡、空天地網絡、內生安全、邊緣計算與人工智能等。

內容導讀

量子通信技術是利用微觀粒子的量子態或量子糾纏效應等進行密鑰或信息傳遞的新型通信方式，是量子信息科學的重要分支。量子通信技術基于量子力學的基本原理來保障通信安全，在國防、政務、能源、金融、衛星通信等領域具有廣泛應用潛力。當前階段，量子通信的典型應用形式包括量子密鑰分發和量子隱形傳態兩類。前者通過對單光子或光場正則分量的量子態制備、傳輸和測量，在收發雙方間實現無法被竊聽的安全密鑰共享，與傳統加密技術相結合完成經典信息加密和安全傳輸；后者基于通信雙方光子糾纏對分發(信道建立)、貝爾態測量(信息調制)和幺正變換(信息解調)實現量子態信息直接傳輸。隨著量子通信技術的發展與創新，量子通信組網與應用逐漸引起了業界的廣泛關注。為了使大家對量子通信技術有更深入的認識，我們組織了本專題。

量子糾纏是量子信息研究的核心資源，是量子密碼、量子隱形傳態和線性光學量子計算等研究方向的基礎。科研級量子糾纏源存在代價昂貴、對環境要求較為苛刻和量子光信號無法可視化等問題，嚴重限制了其在教學場景下的普及。針對上述問題，《基于參量下轉換的量子糾纏光源仿真模型》選取典型的I型BBO量子糾纏光源，對其實際器件和糾纏光源進行了建模，并利用量子態演化理論，給出了符合計數與實驗系統關鍵器件之間的函數關系。該模型與實驗數據保持了較好的一致性。這一方法和思路可推廣到其他量子糾纏光源的仿真，也可用于教學和科學實驗裝置的設計。

在量子與經典光混傳系統中，如何將量子信號和經典光信號復用在同一根光纖中以大幅提高系統容量和節約光纖資源是近年來的研究熱點之一。在共纖傳輸過程中，由于量子信號功率極其微弱，容易受到來自經典光信號的噪聲干擾。《一種面向量子安全光通信的低噪聲波長分配方案》主要研究了四波混頻和拉曼散射這兩種主要噪聲對量子信號產生的影響，提出了一種通過選擇性避免部分四波混頻噪聲，來有效抑制總體噪聲的波長分配方案。仿真結果表明所提方案可有效抑制四波混頻和拉曼散射噪聲的影響，并提高波長資源利用率。

量子密鑰分發組網可以將點到點量子密鑰分發技術擴展為端到端、多用戶的安全密鑰分發，標準化是量子密鑰分發網絡走向實用化的關鍵。為推動量子密鑰分發網絡技術研究、標準化與實際應用，《量子密鑰分發網絡架構及其標準化》梳理了其組網基本原理，并從標準化角度介紹了其網絡分層模型和功能架構，討論了分布式控制、集中式控制、分級控制、集中密鑰中繼等多種組網方案，進一步剖析了其未來研究趨勢及標準化工作展望。

隨著第一顆量子科學實驗衛星“墨子號”的成功部署，量子密鑰分發在自由空間上的應用引起了網絡安全通信領域研究人員的廣泛關注。自由空間遠程量子密鑰分發具有低衰減、廣覆蓋的特點，可以克服基于地面光纖量子密鑰分發網絡傳輸距離的限制。然而，目前自由空間中只有1顆量子衛星，量子衛星光組網還面臨著許多機遇和挑戰。針對上述背景，《量子衛星光網絡前瞻》論述了量子衛星光網絡的關鍵核心技術，剖析了自由空間量子密鑰分發未來研究趨勢及在實際應用中所面臨的難題，展望了量子衛星光網絡的典型應用場景。

量子網絡編碼是一種可以提升量子通信網絡效率的技術，目前已經驗證了其可行性。截止目前為止，國內外研究人員已經提出了一系列代表性的量子網絡編碼方案。論文《量子網絡編碼研究進展》總結了量子網絡編碼的發展和研究現狀，分析了量子網絡編碼的發展方向。隨著量子通信技術的迅猛發展，量子網絡編碼的研究與應用將為量子互聯網的建設帶來全新的思路。

綜上所述，本專題包含了量子通信器件、系統、組網和應用等多個層次的文獻，能夠反映量子糾纏光源、量子密鑰分發系統與組網、量子網絡編碼等技術的研究現狀和關鍵結論，希望能夠給廣大讀者提供有益的啟示和參考。衷心感謝各位作者精心撰稿！