量子通信技術(shù)概述

在目前信息爆炸的時代，如何才能保障信息安全呢？如果我們的通信能被任意截取，那我們還能信任通信安全嗎？當我們在購物時，如果我們的支付密碼一旦被不法分子截獲了，那將對我們造成巨大的經(jīng)濟損失。盡管隨著科技發(fā)展，安全等級在逐漸提高，但是我們的通信安全仍然受到了很嚴峻的考驗。這只是屬于民用領(lǐng)域，當我們著眼于軍事領(lǐng)域，我們會發(fā)現(xiàn)通信安全更為重要。如果一國的軍事機密被他國截獲了，那影響的就是整個國家的安危。通信密碼的截獲，很可能導(dǎo)致整個世界戰(zhàn)局的轉(zhuǎn)變?？傊?，目前的通信安全形勢非常嚴峻，目前已有的密鑰技術(shù)從理論上講是都能被破譯的。而量子通信具有觀測不確定性，從理論上講是不可能被截獲的，這引起了大家的關(guān)注與研究。量子通信就在這樣的時代背景下應(yīng)運而生。

本文將對量子通信的發(fā)展歷史、量子通信的主要技術(shù)原理、量子通信的應(yīng)用現(xiàn)狀以及量子通信的發(fā)展前景進行論述。

1 量子通信的發(fā)展歷史

從古至今，人類一共經(jīng)歷了五次信息技術(shù)革命。第一次革命創(chuàng)造出了語言，第二次出現(xiàn)了文字，第三次發(fā)明了印刷術(shù)，第四次普及了有線以及無線的通信，第五次讓電子計算機得到了普及使用。為了保證安全，人們設(shè)計了許多加密技術(shù)。其中，近代的加密技術(shù)包括換位加密法和對稱加密法，現(xiàn)代的包括對稱加密法和非對稱加密法。換位加密法就是將明文以特定的規(guī)則進行位置的替換。例如：明文為“ABCDE”。該明文經(jīng)過換位加密法換位后會變成“BDCAE”。替換加密法是用其他字母或符號代替明文中的字母。先要按照一定順序制成一個密碼表，然后將明文按照該順序進行替換。就如著名的凱撒密碼一樣，將明文用它之后的第三個字母替換得到密文。對稱加密算法是指加密和解密使用相同的密鑰。它的優(yōu)點是計算量小且加密速度快，但是它也有缺點，因為雙方都需要使用相同的密鑰，所以當接收者更換后，為確保安全，必須將密鑰全部更換。非對稱加密算法則是將加密密鑰分為兩部分——公鑰和私鑰。兩鑰匙完全匹配，如果用公鑰進行信息加密，就只有對應(yīng)的私鑰才能解密。因為目前只有通過窮舉法才能破解，且工作量巨大，所以這是目前最安全的加密算法。但是其缺點是加密速度過慢，不適合廣泛使用。然而這幾類加密算法從理論上講都是可以被破譯的，這就造成了安全隱患，其造成的財產(chǎn)損失也不可勝數(shù)，不安全的加密通信所存在的隱患很大。而在20 世紀普朗克建立量子物理學(xué)以來，帶來了量子信息革命，繼而出現(xiàn)了量子通信，從而保證了信息通信的安全[1]。

2 量子通信的主要技術(shù)原理

2.1 量子測量理論

我們現(xiàn)在假設(shè)某一空間中有兩個電子，它們的狀態(tài)是隨機的。當它們靠得足夠近時，它們可能會發(fā)生一種變化，它們會釋放出一個光子，同時兩個電子會進入糾纏狀態(tài)。在宏觀世界，一個物體是存在客觀的狀態(tài)的。但不同于宏觀世界，在微觀世界中，在測量它之前是不存在客觀狀態(tài)的，這也就造成了量子狀態(tài)的無法復(fù)制[2]。

2.2 量子通信過程

首先，甲和乙對依次收到糾纏光子對進行處理，同時隨機選取角度（零度或45 度）的偏振片對光子進行篩選，看是否能通過得到一組數(shù)據(jù)。之后雙方進行數(shù)據(jù)的比對，將不相同的數(shù)據(jù)舍去，當只剩下相同的數(shù)據(jù)時，就組成了只有雙方知道的密鑰。然后雙方交換部分密鑰，檢驗是否相符。如果相符，則最后就可使用經(jīng)典途徑進行交流。

2.3 密鑰防泄露機制

在上一點中講到，只有在保證數(shù)據(jù)相符的情況下才能使用經(jīng)典途徑進行交流，可如果比對后發(fā)現(xiàn)不相符，就可以證明有人在進行監(jiān)聽。原因是粒子的量子狀態(tài)是隨機的，任何人在攔截了一列光子后，都無法復(fù)制完全相同的一列光子。所以從理論上來講，量子通訊是絕對安全的[3]。

3 量子通信應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 實驗層面

由于量子通信技術(shù)屬于科學(xué)界較前沿的研究領(lǐng)域，所以大部分成果都停留在理論和實驗階段。在實驗層面，國內(nèi)外都已經(jīng)得到了較多的成果。本章將對國外和國內(nèi)取得的部分實驗成果進行闡述。

國外：1993 年，英國實現(xiàn)了10 公里的量子分發(fā)技術(shù)，這是量子通信的里程碑事件，量子通信實現(xiàn)了零的突破。到了2004 年，日本可以實現(xiàn)長達150 公里的量子密鑰分發(fā)。經(jīng)過不斷的發(fā)展，在2008 年量子密鑰分發(fā)距離達到了1 500 公里，進而實現(xiàn)了地球衛(wèi)星的量子通信。

國內(nèi)：1995 年，我國首次使用BB84 協(xié)議完成演示實驗。2005 年，我國完成了京津間125 千米的光纖量子通信實驗。到了2013 年，我國將其距離提高到了上千千米，實現(xiàn)了遠距離地對地量子通信。隨后到了2016 年，我國發(fā)射了全球首顆量子通信衛(wèi)星，實現(xiàn)了地對空量子通信[4]。

3.2 落地應(yīng)用

隨著量子通信技術(shù)的研究和發(fā)展，不僅取得了較多實驗成果，還發(fā)展了許多落地應(yīng)用。量子密碼分配技術(shù)是其中之一。在2004 年，世界首個量子密碼分配網(wǎng)絡(luò)于美國誕生。同年，該網(wǎng)絡(luò)被瑞士投入商業(yè)化。我國于2012 年也建立起了中國第一個量子密碼分配的網(wǎng)絡(luò)[5]。

4 量子通信發(fā)展前景

量子通信技術(shù)還處于初步發(fā)展階段，所以它的應(yīng)用前景十分廣闊。憑借其極高的安全性，企業(yè)可將其用于個人私密信息的保護，比如個人的身份信息和各種賬號與密碼。這將給企業(yè)帶來極高的信任度，從而贏得收益。當涉及到軍事領(lǐng)域，其應(yīng)用前景將更為廣闊。比如說深海安全通信。深海安全通信一直是一個世界性難題，由于深海環(huán)境復(fù)雜多變，常規(guī)短波通信方式極易收到干擾，所以只能使用長波通信。但是由于長波通信距離與天線長度呈正相關(guān)，這意味著要想實現(xiàn)遠距離深海通信，就得建造夠長的天線。這就導(dǎo)致深海通信的成本過高，顯得性價比過低。由于量子通信對傳播介質(zhì)沒有要求，所以在深海的復(fù)雜環(huán)境中，量子通信依然能穩(wěn)定進行。量子通信完美的解決了深海通信的環(huán)境問題，成為未來深海通信的首選。如果這項技術(shù)能夠成功落地，那將對軍事領(lǐng)域給予極大的安全性保障。再比如說國家領(lǐng)導(dǎo)人之間的私人談話。如果私人談話的內(nèi)容被截獲，那將對國家造成巨大的安全隱患，所以可靠的量子通信成為迫切需要。在載人航天領(lǐng)域，量子通信同樣需要。目前人類已實現(xiàn)登月。但當人類踏上火星，甚至離開太陽系，宇航員的通信該如何保障？在外太空存在各種射線的環(huán)境下，穩(wěn)定的通信該如何保障？這時就需要量子通信的支持了[6]。

5 結(jié)語

本文對量子通信的發(fā)展歷史、技術(shù)介紹、應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景進行了簡要介紹。量子通信憑借著它的安全性和不可偵測性，正在逐漸受到業(yè)界的青睞。目前已經(jīng)在軍事領(lǐng)域、安全保密領(lǐng)域、復(fù)雜環(huán)境下的通信有了初步的應(yīng)用。但就目前的情況看來，量子通信大多數(shù)的研究成果還停留在實驗室的研發(fā)階段。其學(xué)術(shù)層面和實際應(yīng)用層面還存在著較大的差距，還有較大的發(fā)展空間。因此，在未來量子通信的發(fā)展應(yīng)當更多聚焦于實際的應(yīng)用領(lǐng)域，讓量子通信的技術(shù)優(yōu)勢匯集到社會的各個方面，甚至匯集到尋常百姓家中，讓生活中的通信更加安全、可靠與便捷。