量子通信技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用前景分析

張燦?夏耀威?陳健?狄麗娟

摘要：量子通信是與國(guó)家信息安全相關(guān)的國(guó)際公認(rèn)的戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域。這世紀(jì)以來(lái)，在通信安全和快速通信等方向量子通信技術(shù)有了很大的進(jìn)步，使得量子通信得到了普遍的運(yùn)用，為量子通信在將來(lái)世界的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。在本文中，對(duì)量子通信的原理、結(jié)構(gòu)以及特性作出了闡述，以及對(duì)量子通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和運(yùn)用前景進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：量子通信技術(shù)；通信安全；通信原理

量子通信作為一種新型通信手段，是一種通過量子特有糾纏效應(yīng)傳輸信息的通信技術(shù)。它作為一門新興學(xué)科，有著遠(yuǎn)大的前景，對(duì)照傳統(tǒng)的通信技術(shù)，量子通信“打破”了傳統(tǒng)的通信方式。近年來(lái)，這門新興學(xué)科“走過”了從理論到實(shí)驗(yàn)的過程，并已在實(shí)際生活中得到應(yīng)用。該技術(shù)在隱身傳輸和加密安全領(lǐng)域取得了令人矚目的成就，以及其余的通信技術(shù)未曾具有的高效率和相對(duì)安全等特點(diǎn)，令量子通信技術(shù)成為了世界通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

通過利用量子力學(xué)、量子并行性、量子糾纏和非克隆等量子特性，來(lái)探索量子的信息傳遞等技術(shù)，以便通過量子的獨(dú)特性來(lái)突破原始芯片的“束縛”。量子糾纏在量子力學(xué)理論中很難理解，它是通過物理概念產(chǎn)生的效應(yīng)，但現(xiàn)在人類開始將實(shí)現(xiàn)并利用此效應(yīng)。在現(xiàn)實(shí)世界中，可通過光纖來(lái)傳遞量子信息進(jìn)而實(shí)現(xiàn)量子通信的過程。但由于光纖會(huì)遭到本身和地理?xiàng)l件的限度，并不能再任何地方都實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程。為了突破限制，基于對(duì)量子隱形傳態(tài)的拓展，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了一種通信方案。這種新型的通信方案是以EPR粒子對(duì)的遠(yuǎn)程相關(guān)性作為依據(jù)實(shí)現(xiàn)的。因此，這種方案也可以用過傳遞信息的新方式。

1 量子通信技術(shù)

1.1 量子通信的基本原理

對(duì)比傳統(tǒng)通信方式，量子通信擁有速度快、承載信息容量大以及機(jī)密性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。量子通信信息傳輸?shù)倪M(jìn)程，便驗(yàn)證了量子力學(xué)原理。量子信號(hào)源、量子信道以及量子信宿都包含在量子通信系統(tǒng)中。量子信號(hào)源生成信息并將其發(fā)送出去；量子信宿接受信號(hào)源的信息；接收到的量子信息通過量子解調(diào)還原成原始信息。原子、電子、光子這三種粒子具有量子效應(yīng)。因此，所有擁有量子效應(yīng)的粒子都可以用作量子信道的信號(hào)。在信息傳輸過程中，因?yàn)楣庑盘?hào)的傳輸特性，量子通信也是量子光通信。通過單光子，量子通信便能克服空間的局限性，實(shí)現(xiàn)理想中的全球化、高速以及高機(jī)密性通信。

1.2 量子通信的體系架構(gòu)

量子通信系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)包括：量子信源、量子編碼器、量子調(diào)制器、量子解調(diào)器、量子傳輸信道、輔助信道、量子信道噪聲、量子譯碼器以及量子信宿。

1.3 量子通信技術(shù)的特性

（1）無(wú)條件安全性

量子通信技術(shù)將量子態(tài)作為突破傳統(tǒng)加密技術(shù)的關(guān)鍵。在原理上，量子通信技術(shù)的特性包括無(wú)法竊聽性、無(wú)法復(fù)制性以及“理論上”的無(wú)條件安全性。在量子傳輸?shù)倪^程中，理論上量子態(tài)會(huì)由于其他攔截或嘗試獲取量子密鑰的操作所改變。因此，具有“理論上”的無(wú)條件安全性。

（2）量子通信擁有很強(qiáng)的抗干擾和傳輸能力

量子通信不會(huì)受到信息傳輸中任何障礙的阻礙，并且線路傳輸延遲極短，因此可以實(shí)現(xiàn)最快的通信傳輸。相比于傳統(tǒng)的通信手段，由于量子通信是基于量子糾纏的通信方式，因此量子通信不會(huì)受到電磁的干擾。在信息傳輸方面，量子隱形傳態(tài)則可以突破地理?xiàng)l件的限制，具有很強(qiáng)的傳輸能力。

2 對(duì)量子通信發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景的分析

2.1 對(duì)量子通信的發(fā)展現(xiàn)狀分析

量子通信是通信史上一次重大的突破，使人們對(duì)未來(lái)的通信技術(shù)充滿希望。由于量子通信技術(shù)的獨(dú)特性，它在建立安全性和機(jī)密性以及大型信息傳輸系統(tǒng)方面具有天然的優(yōu)勢(shì)。量子通信技術(shù)在傳輸大量信息時(shí)的高效性機(jī)密性使得該技術(shù)廣泛用于軍事和國(guó)防領(lǐng)域。中國(guó)已高度注重量子通信技術(shù)的利用，并將其提升到信息安全網(wǎng)絡(luò)水平采取信息安全網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。中國(guó)首創(chuàng)的量子衛(wèi)星“墨子”號(hào)成功發(fā)射。量子安全通信“京滬鐵路”連接了北京等地的量子通信網(wǎng)絡(luò)。這些我國(guó)在量子通信方向的發(fā)展都表現(xiàn)了我國(guó)在該領(lǐng)域的重大成就?？茖W(xué)以及工業(yè)化會(huì)越來(lái)越成熟，量子產(chǎn)品會(huì)被普及，“量子+”時(shí)代便會(huì)來(lái)臨。

2.2 對(duì)量子通信技術(shù)的應(yīng)用前景分析

隨著“十三五”規(guī)劃的推進(jìn)，政府，軍事基地等重要機(jī)構(gòu)將加大對(duì)信息安全的需求，大學(xué)等其他科研機(jī)構(gòu)的產(chǎn)業(yè)化力量，以及量子通信技術(shù)的應(yīng)用。量子通信的發(fā)展會(huì)更加迅速。經(jīng)過對(duì)我國(guó)現(xiàn)今在量子通信方向的進(jìn)展的研究，本文僅從國(guó)防及軍事領(lǐng)域做出了以下思考：首先，現(xiàn)有的軍事通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)能夠布置量子密鑰生產(chǎn)和調(diào)配系統(tǒng)，以將量子密鑰分配給未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)覆蓋區(qū)域中的任何兩個(gè)用戶。通過這種方式，便能在未來(lái)作戰(zhàn)的環(huán)境下形成可移動(dòng)的安全通信網(wǎng)絡(luò)。其次，由于光學(xué)量子密碼學(xué)的“加密可知”和“不可破解”的特點(diǎn)，現(xiàn)有的光纖通信設(shè)備可以與光量子密碼學(xué)相結(jié)合，以提高當(dāng)前軍事網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臋C(jī)密性。第三，軍事信息網(wǎng)絡(luò)對(duì)于大容量，高速率的傳輸處理具有很高要求。通過對(duì)量子通信技術(shù)的進(jìn)一步研究和開發(fā)，可以嘗試?yán)昧孔与[形傳態(tài)等來(lái)建立滿足軍隊(duì)對(duì)安全保密和效率等有特殊要求的軍事信息網(wǎng)絡(luò)。

3 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)今社會(huì)，世界各國(guó)越來(lái)越多地要求通信技術(shù)的效率和安全性。因而，量子通信已發(fā)展為量子為通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)。中國(guó)應(yīng)該在創(chuàng)新的路途上提升量子通信技術(shù)的實(shí)效性，使其始終處于領(lǐng)先地位。

參考文獻(xiàn)：

[1] 甘學(xué)斌.通信業(yè)的量子時(shí)代[J].數(shù)字通信世界，2019（02）.

[2] 梁雨清.劃時(shí)代的量子通信技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].電子世界，2016（24）.

[3] 黃哲.基于量子糾纏的量子通信技術(shù)[J].中國(guó)新通信，2016，18（23）.

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

[5] 嚴(yán)益強(qiáng).量子通信進(jìn)展綜述[J].廣東通信技術(shù)，2017（12）.

作者簡(jiǎn)介： 張燦（1993-），男，湖北武漢人，碩士，研究方向：量子計(jì)算機(jī)與量子通信。

（作者單位：湖北工業(yè)大學(xué)）