淺談量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析

周德建

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淺談量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析

周德建

廣東海格怡創(chuàng)科技有限公司，廣東 廣州 510000

進(jìn)入21世紀(jì)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速普及給人們的工作與生活帶來了深刻影響，但是，信息科學(xué)自身發(fā)展存在著物理的局限性，而量子通信技術(shù)以無條件信息安全、高效抗干擾等特點(diǎn)，已成為各國(guó)角逐未來信息技術(shù)前沿的新領(lǐng)域、新方向，也必將給人類帶來難以估量的影響。

量子通信；發(fā)展現(xiàn)狀；應(yīng)用前景

1 量子通信技術(shù)發(fā)展的歷程

19世紀(jì)末麥克斯·普朗克發(fā)現(xiàn)了量子，20世紀(jì)中葉愛因斯坦和波爾進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)20年的偉大論戰(zhàn)，促進(jìn)量子力學(xué)體系不斷完善，并逐漸形成量子通信理論基礎(chǔ)。在量子密鑰分發(fā)方面，1984年由IBM研究組與加拿大的Brassard等人經(jīng)過研究后首次提出具有實(shí)用價(jià)值的BB84量子密碼通信協(xié)議[1]，理論驗(yàn)證可以達(dá)到無條件安全通信。2005年美國(guó)學(xué)者Lo等人提出多強(qiáng)度誘騙態(tài)調(diào)制方案，解決了弱相干光源多光子的安全漏洞，為量子通信技術(shù)走向?qū)嵱没蜷_大門。2013年中國(guó)科技大學(xué)潘建偉領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)，第一次實(shí)現(xiàn)了和測(cè)量器件沒有關(guān)系的量子密鑰分發(fā)，消除了單光子探測(cè)系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中容易遭到黑客攻擊的安全隱患，安全性進(jìn)一步增強(qiáng)。量子密鑰分發(fā)技術(shù)經(jīng)過30多年的發(fā)展，目前已有小規(guī)模的試點(diǎn)應(yīng)用和初步產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)。在量子隱形傳送方面，1997年奧地利Zeilinger小組首次驗(yàn)證了在室內(nèi)的量子隱形傳送，后來他們又經(jīng)過多次試驗(yàn)，將量子隱形傳送距離增加到600?m。2005年中國(guó)科學(xué)家在合肥創(chuàng)造了13?km的雙向量子糾纏分發(fā)世界紀(jì)錄，2010年中國(guó)科技大學(xué)與清華大學(xué)通過合作研究，將量子態(tài)隱形傳輸距離提高到16?km，2015年中國(guó)科學(xué)家開展的“多自由度量子體系的隱形傳態(tài)”研究，在年度國(guó)際物理學(xué)領(lǐng)域的10項(xiàng)重大突破中名列榜首，為未來量子網(wǎng)絡(luò)開啟了瞬間傳輸技術(shù)的大門，量子通信有望承擔(dān)起未來宇宙通信的使命。

2 量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

在中國(guó)國(guó)內(nèi)，以郭光燦為核心的科研團(tuán)隊(duì)在2004年首次完成了從北京到天津的量子密鑰分配方案，其傳輸距離達(dá)到了125?km左右。2007年國(guó)內(nèi)科學(xué)家趙義博首次完成了涵蓋四個(gè)用戶的量子密碼通信體系的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。2008年實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)距離達(dá)到30?km的即時(shí)網(wǎng)絡(luò)通話系統(tǒng)。2009年，我國(guó)第一個(gè)量子政務(wù)網(wǎng)站在郭光燦科研小組的籌備下成立。2000年以后中國(guó)相關(guān)科學(xué)家逐漸將量子通信應(yīng)用于太空研究、空地通信當(dāng)中，2013年中國(guó)科學(xué)研究院首次完成了星地密鑰分配實(shí)驗(yàn)，并在濟(jì)南建設(shè)了集控站以及用戶節(jié)點(diǎn)，量子通信開始真正的應(yīng)用于太空實(shí)驗(yàn)，星地通信當(dāng)中。

3 量子通信技術(shù)發(fā)展的困境

3.1 系統(tǒng)性能有待提高，技術(shù)瓶頸有待突破

基于光纖傳輸?shù)牧孔用荑€分發(fā)技術(shù)（QKD）的量子保密通信百公里長(zhǎng)距離傳輸?shù)陌踩a率約為10?kb/s量級(jí)，相對(duì)于經(jīng)典通信實(shí)現(xiàn)的Tb/s量級(jí)差距很大，難以實(shí)現(xiàn)一次一密加密。在數(shù)十公里短距離傳輸方面，目前實(shí)現(xiàn)的安全碼率約為2?Mb/s量級(jí)，QKD系統(tǒng)協(xié)議處理機(jī)制仍需改進(jìn)，單光子源、高品質(zhì)糾纏光源、高性能光子探測(cè)器等核心器件的性能不高。在廣域量子通信組網(wǎng)方面，量子態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)、量子糾纏操控技術(shù)關(guān)鍵問題尚未突破。星地量子通信是未來實(shí)現(xiàn)廣域組網(wǎng)的目標(biāo)方案，但目前尚無量子通信衛(wèi)星平臺(tái)的成功試驗(yàn)，其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)性能仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.2 系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)安全性存在風(fēng)險(xiǎn)

在基于量子密鑰分發(fā)技術(shù)（QKD）的量子保密通信系統(tǒng)中，光源、信道節(jié)點(diǎn)和接收機(jī)的不理想特性，可能成為被竊聽者利用的安全漏洞，針對(duì)QKD系統(tǒng)進(jìn)行攻防測(cè)試和安全性升級(jí)，將成為運(yùn)營(yíng)維護(hù)時(shí)必須面對(duì)的技術(shù)問題。在長(zhǎng)距離量子通信傳輸過程中，由于現(xiàn)階段QKD系統(tǒng)的密鑰生成碼率較低，在對(duì)高速信息進(jìn)行加密處理時(shí)，難以滿足一次一密的加密要求，也有可能成為整個(gè)系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

3.3 初期市場(chǎng)規(guī)模和用戶群體有限

現(xiàn)階段量子通信主要面向政務(wù)、國(guó)防、金融等長(zhǎng)期安全性要求很高的特定應(yīng)用領(lǐng)域，市場(chǎng)規(guī)模有限且較為分散，加之傳統(tǒng)通信業(yè)界對(duì)于量子通信的應(yīng)用參與程度較低，目前仍持觀望態(tài)度。此外，對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行量子通信升級(jí)的前期軟硬件改造投入較高，基于量子密鑰分發(fā)技術(shù)（QKD）的保密通信系統(tǒng)中包含大量精密光學(xué)器件，對(duì)日常使用和運(yùn)營(yíng)維護(hù)有較高要求，也影響了市場(chǎng)需求。

3.4 技術(shù)驗(yàn)證與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研發(fā)滯后

對(duì)于任何高新技術(shù)，測(cè)試認(rèn)證和標(biāo)準(zhǔn)化都是商用化、市場(chǎng)化推廣的必要條件，需要計(jì)量和標(biāo)準(zhǔn)化組織的協(xié)調(diào)與合作。量子通信作為量子物理學(xué)和信息科學(xué)的前沿交叉學(xué)科，涉及眾多技術(shù)領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)化工作的難度較大。當(dāng)前，在量子通信領(lǐng)域國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化研究相對(duì)滯后，主要體現(xiàn)在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化重視程度不夠，研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)各自為戰(zhàn)，缺乏有效的溝通和協(xié)作機(jī)制，難以形成合力，無法形成試點(diǎn)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化成果。

4 量子通信技術(shù)發(fā)展的條件

滿足絕對(duì)安全高效的通信需求隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人類開始步入高度的信息化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化時(shí)代，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、電子商務(wù)、移動(dòng)支付和互聯(lián)網(wǎng)金融也得到了大力發(fā)展，然而網(wǎng)絡(luò)信息安全卻風(fēng)波不斷。比如，支付寶客戶欠款丟失、蘋果承認(rèn)存在“安全漏洞”、12306網(wǎng)站用戶身份證敏感信息數(shù)據(jù)泄露、匯豐銀行發(fā)生史上最大規(guī)模泄密等重大信息安全事件，都反映出傳統(tǒng)保密通信系統(tǒng)的安全性正面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的經(jīng)典保密通信系統(tǒng)往往依賴于密鑰的安全性，不依賴于加密體制或者算法，由于現(xiàn)有的通信保密系統(tǒng)沒有絕對(duì)安全的方案進(jìn)行密鑰分發(fā)，導(dǎo)致經(jīng)典保密通信系統(tǒng)不可能具有嚴(yán)格的安全性。而量子通信是近年來興起的新型交叉學(xué)科，是量子論和信息論相結(jié)合的最新研究領(lǐng)域。與傳統(tǒng)通信方式相比，量子通信傳輸速度比光速高出4個(gè)數(shù)量級(jí)，其中的信息傳輸與傳播媒介無關(guān)，具有完好的抗干擾性能，從而實(shí)現(xiàn)不可被破譯的完美通信。量子通信具備的效率高、速度快和保密性強(qiáng)等特點(diǎn)，完全符合未來航天、軍事、政務(wù)、金融等對(duì)信息通信安全的發(fā)展要求。

5 結(jié)論

信息時(shí)代，信息安全和通信能力將成為決定國(guó)家安全的重要基礎(chǔ)，因此包括我國(guó)在內(nèi)的世界各國(guó)對(duì)于信息安全的重視程度都非常高。量子通信技術(shù)以其安全性和高速傳輸速率將成為未來主流通信技術(shù)，在一些核心技術(shù)突破后量子通信技術(shù)將逐漸進(jìn)入實(shí)用階段，在國(guó)家安全、國(guó)民經(jīng)濟(jì)中將扮演非常重要的角色。

[1]賴俊森，吳冰冰，湯瑞，趙文玉，張海懿.量子通信應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展分析[J].電信科學(xué)，2016（3）：123-129.

[2]鄭博熙，杜英.淺談量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析[J].電子世界，2016（8）：192，196.

[3]任媛媛.量子通信技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用前景[J].安徽科技，2016（10）：53-56.

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1009-6434（2017）04-0079-02