淺析量子通信技術(shù)及其發(fā)展前景

摘 要：隨著無(wú)線通信的不斷發(fā)展，近年來(lái)，量子通信技術(shù)不斷取得突破性的進(jìn)展，量子通信與傳統(tǒng)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(shù)已經(jīng)成為全球研究和發(fā)展的通信技術(shù)熱點(diǎn)之一。文章通過(guò)介紹量子通信技術(shù)的定義與量子通信系統(tǒng)模型，闡述了量子通信技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，并基于現(xiàn)有技術(shù)水平對(duì)量子通信技術(shù)的未來(lái)發(fā)展作出了展望。

關(guān)鍵詞：無(wú)線通信技術(shù)；量子通信技術(shù)；發(fā)展現(xiàn)狀；未來(lái)展望

1 量子通信技術(shù)的定義

量子通信是作為一種由量子論和信息論結(jié)合產(chǎn)生的新興通信技術(shù)，是利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型通信技術(shù)[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(jì)初，物理學(xué)界在研究微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律過(guò)程中建立起來(lái)的量子力學(xué)，是之后量子通信理論研究的基礎(chǔ)。

我們可以利用量子特有的糾纏效應(yīng)進(jìn)行通信，以確保通信過(guò)程中的絕密性和安全性。它從物理學(xué)的角度來(lái)看，量子通信是在物理極限下利用量子效應(yīng)現(xiàn)象完成的高性能通信，在物理原理上確保通信的絕對(duì)安全，解決了通信技術(shù)無(wú)法解決的問(wèn)題，是一種全新的通信方式[2]。

2 量子通信技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

對(duì)量子通信技術(shù)進(jìn)行研究及發(fā)展是人類(lèi)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始的。20世紀(jì)90年代初期，IBM公司的一個(gè)重大成果從此拉開(kāi)了量子通信實(shí)驗(yàn)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(gè)量子信息傳輸。

國(guó)外量子通信研究方面，Zeilinger領(lǐng)導(dǎo)的歐洲聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等都是比較領(lǐng)先的科研機(jī)構(gòu)。美國(guó)的IBM實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)西門(mén)子公司、英國(guó)電話電報(bào)公司等一系列國(guó)際著名的公司也在積極推動(dòng)量子通信的商業(yè)化。國(guó)內(nèi)量子通信方面研究理論方面起步相對(duì)緩慢，但是，中國(guó)科學(xué)院物理所在1995年首次以BB84協(xié)議方案在國(guó)內(nèi)完成了演示實(shí)驗(yàn)，在量子通信的實(shí)驗(yàn)部分幾乎與國(guó)外同步（圖1）。

當(dāng)前，世界各國(guó)學(xué)者對(duì)于量子通信技術(shù)開(kāi)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(tài)（Quantum Teleportation）、量子安全直接通信（QSDC，Quantum Secure Direct Communication）、量子機(jī)密共享（QSS，Quantum Secret Sharing）等4個(gè)方面[3]。

目前，日本通過(guò)洲際合作建成了多節(jié)點(diǎn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)（Tokyo QKD Network），其規(guī)劃從2020年開(kāi)始建設(shè)全國(guó)性高速量子通信網(wǎng)，至2040年建成極限容量的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)；歐盟同時(shí)也提出了遠(yuǎn)距離量子通信實(shí)驗(yàn)計(jì)劃（Space-QUEST），這一實(shí)驗(yàn)計(jì)劃是以國(guó)際空間站為平臺(tái)。我國(guó)在量子通信方面也取得不少成果，使得我國(guó)在國(guó)際上處于該領(lǐng)域的前列。在2009年國(guó)慶60周年閱兵關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)構(gòu)建“量子通信熱線”，經(jīng)歷了重大應(yīng)用考驗(yàn)，全面檢驗(yàn)了技術(shù)水平。

3 量子通信技術(shù)的體系架構(gòu)

量子通信體系架構(gòu)的基本模型如圖2所示。

量子信源、量子編解碼、量子調(diào)制解調(diào)、量子傳輸信道、量子信宿等八個(gè)部分組成了量子通信系統(tǒng)。量子信源是量子信息產(chǎn)生器，量子編碼將量子信息轉(zhuǎn)化成量子比特通過(guò)信道進(jìn)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(cè)量信道之外的附加信道。量子噪聲是通信環(huán)境對(duì)量子信號(hào)產(chǎn)生的影響等效描述。量子解碼將量子信息比特轉(zhuǎn)化成信息，量子信宿用來(lái)接收信息。目前，一般采用“量子信道+輔助經(jīng)典信道”完成非理想的量子通信。

4 量子通信技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的通信技術(shù)相比，量子通信技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）具有較高時(shí)效性。量子通信線路時(shí)延幾乎為零，信息傳遞速度快，過(guò)程無(wú)障礙。

（2）具有較強(qiáng)的抗干擾性。不通過(guò)傳統(tǒng)信道進(jìn)行信息傳輸，與通信雙方之間傳播媒介無(wú)關(guān)。

（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(tǒng)的通信手段，同等條件下量子通信技術(shù)獲得可靠通信所需的信噪比低30-40dB。

5 量子通信技術(shù)的前景展望

量子通信技術(shù)憑借其明顯的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)具有較好的應(yīng)用和發(fā)展前景。對(duì)于空間大容量、遠(yuǎn)距離、易組網(wǎng)等要求，量子通信技術(shù)可以滿(mǎn)足以上要求，并實(shí)現(xiàn)高清晰度圖像等大容量超高速數(shù)據(jù)的傳輸；對(duì)于軍事、國(guó)防、國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)等領(lǐng)域完全保密通信的要求，量子通信可以全部達(dá)到；對(duì)于空間信息傳輸?shù)燃夹g(shù)的研究，許多國(guó)家已經(jīng)取得了一定的成果，量子通信的普遍應(yīng)用將加快這一進(jìn)程的發(fā)展；量子通信憑借其通信時(shí)延為零將為人類(lèi)探索宇宙空間的進(jìn)程奠定基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語(yǔ)

量子通信技術(shù)作為一種新興的通信技術(shù)，將帶來(lái)通信技術(shù)領(lǐng)域新一次的劃時(shí)代革命。相比于現(xiàn)今采用的通信技術(shù)，量子通信的優(yōu)勢(shì)極為明顯，主要體現(xiàn)在保密性、通信距離以及通信容量這幾個(gè)方面。未來(lái)通信技術(shù)的發(fā)展方向?qū)⑹牵航柚鷱V域量子通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)安全移動(dòng)應(yīng)用，將有線與有限變?yōu)闊o(wú)線與無(wú)限。雖然量子通信有著廣闊的應(yīng)用前景，但在理論方面與單元技術(shù)方面還存在許多問(wèn)題亟待解決。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的大背景下，我們需要對(duì)量子通信這一領(lǐng)域加大投入和研究力度，為人類(lèi)進(jìn)入量子信息時(shí)代的夢(mèng)想不懈努力奮斗。

參考文獻(xiàn)

[1]徐啟建，金鑫，徐曉帆.量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2009，4（5）：491-497.

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

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