淺談量子通信理論及其應用

萬駿

摘 要 近幾年，量子通信實現(xiàn)了高效發(fā)展，在信息安全傳輸方面取得了良好的成績。文章以量子通信理論作為主要研究課題，首先分析了量子通信的基本原理，主要包含有BB84協(xié)議及光子數(shù)分離攻擊，而后概括了其體系架構(gòu)，最后詳細分析了量子通信的應用現(xiàn)狀及應用前景，以期推動量子通信技術(shù)的進一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞 量子通信；協(xié)議；應用前景

中圖分類號 TN91 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）207-0100-02

量子通信指的是以量子態(tài)及量子糾纏效應為基礎(chǔ)來實現(xiàn)信息或密鑰傳輸?shù)囊环N通信方式，在量子力學原理的基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)絕對性安全，為被監(jiān)控和被竊聽提供安全保證。在量子力學及量子信息技術(shù)的指引下，精確操控光子和原子等微觀粒子得到了實現(xiàn)，同時，還可以針對信息實施編碼、存儲、傳輸、運算以及調(diào)制。目前，量子通信主要涉及到量子密鑰分發(fā)、量子秘密共享、量子數(shù)字簽名、量子隱形傳態(tài)、量子中繼、量子數(shù)據(jù)鎖以及量子指紋識別等方面。隨著信息技術(shù)的不斷快速發(fā)展，在目前這個復雜的安全形勢下，量子通信發(fā)揮著重要的作用，量子通信以量子力學原理為基礎(chǔ)，在通信方面運用微觀視角下的物質(zhì)特性，在高速傳輸及高可靠保密通信方面有著極大的優(yōu)勢，已成為當下科技的主要研究和發(fā)展方向。本文則基于此對量子通信理論及其應用進行了詳細的探討。

1 量子通信的基本原理

對于量子通信，基于概念的視角來看，指的是通過量子介質(zhì)所具有的信息傳遞功能來實現(xiàn)通信的一種方法。基于技術(shù)原理的視角來看，量子通信就是通過量子具有的糾纏效應來實現(xiàn)傳遞信息、傳輸數(shù)據(jù)的一個較為先進的通信技術(shù)。

1.1 BB84協(xié)議及其安全性

與經(jīng)典通信比起來，量子通信最大的優(yōu)勢是它能夠保證嚴格數(shù)學證明時候的安全性（絕對安全性）。為了使保密通信絕對安全，Benett與Brassard在1984年時研究出世界上第一個量子密鑰分發(fā)協(xié)議，也就是非常有名的BB84協(xié)議。BB84協(xié)議可以讓通信雙方在很遠的兩個地方就能夠持續(xù)地建立密鑰，但前提是雙方都要完成認證，從而利用一次一密密碼本加密協(xié)議來保證通信的安全。這一辦法的安全性是以量子力學中的基本的兩個原理為基礎(chǔ)：單光子所具有的不可分割性以及單光子量子態(tài)時所具有的測量塌縮性。

1.2 光子數(shù)分離攻擊

因量子通信通道非常容易被損耗，當距離大于100km時，結(jié)合探測效率來看，其效率將會在整體上低于千分之一。以相關(guān)理論為基礎(chǔ)，就算處于高損耗通道下，理想單光子源依然可以保持絕對安全狀態(tài)，但是，同樣處于高損耗通道下，系統(tǒng)真正運用的弱光卻有著不一樣的結(jié)果：在此過程中，竊聽者能夠假裝為通道損耗，以光子數(shù)分離攻擊為基礎(chǔ)來得到具體的密碼。以偏振空間為例，其實弱相干態(tài)脈沖是由單光子和多光子脈沖結(jié)合而構(gòu)成的。也就是說在非真空脈沖中，一部分為單光子，一部分為多光子（即2光子或3光子等）。在多光子脈沖中，其涵蓋了大量的全同偏振光子。對于竊聽者來說，其能夠保存一個光子，將其他的光子分離，并傳送給遠程合法用戶。竊聽者能夠像合法用戶一樣，在不擾亂合法用戶的光子偏振態(tài)的情況下，擁有同樣的偏振光子。也就是說竊聽者能夠在隱秘的情況下完整的獲取信息。合法用戶不會發(fā)覺竊聽者的這種行為，這主要是由于竊聽者能夠隨時對各單獨脈沖進行調(diào)整，以控制通道衰減系數(shù)，進而把控好合法用戶的探測器計數(shù)率，使之與高損耗自然通道相統(tǒng)一。

2 量子通信的體系架構(gòu)

量子通信的體系架構(gòu)主要包含有量子態(tài)發(fā)生器、量子通道以及量子測量裝置等幾個部分，圖1即為其基本模型。

量子通信系統(tǒng)的主要部件是由量子態(tài)發(fā)生器、量子通道以及量子測量裝置所構(gòu)成的。按其所傳送的信息可以將它分為兩類，若其所傳送的信息為經(jīng)典信息則一般用來傳輸量子密鑰，若其所傳送的信息為量子信息，則一般用來分發(fā)量子隱形傳態(tài)以及量子糾纏?，F(xiàn)階段在量子通信系統(tǒng)在實際工作的應用中，通常采用“量子信道+輔助經(jīng)典信道”的辦法進行分發(fā)非理想類的量子密鑰又或者是量子密碼通信。在經(jīng)典信道的輔助下，通信雙方通過量子信道來完成量子信息的交互與同步，獲取量子密鑰。

3 量子通信的應用現(xiàn)狀及前景3.1 量子通信的應用現(xiàn)狀

目前，量子通信不但在軍事、國防、金融這些領(lǐng)域起到非常重要的作用，而且還很大程度地推進了我國國民經(jīng)濟的發(fā)展。在1993年美國IBM的研究者研究出量子通信理論之后，美國國內(nèi)的科學基金會、國防高級研究計劃局都加入了這一項目的研究。瑞士、法國這些歐美國家也專門成立公司來對量子通信進行商業(yè)研發(fā)。2012年2月17日，合肥市成功設(shè)立城域量子通信實驗示范網(wǎng)，并正式投入了運行，一共包含有46個節(jié)點，光纖為1 700km，以6個接入交換及集控站為基礎(chǔ)，將40組“量子電話”用戶及16組“量子視頻”用戶連接起來。2013年5月，中科院第一次完成了星地量子密鑰分發(fā)的全方位地面試驗。2013年11月，濟南成功設(shè)立量子保密通信試驗網(wǎng)，其中包含有3個集控站以及50個用戶節(jié)點。

我國已經(jīng)將量子通信、量子計算納入了“十三五”規(guī)劃之中，并將其提高到信息網(wǎng)絡(luò)安全戰(zhàn)略層面進行布局謀劃。2016年8月16日，我國發(fā)射了世界上第一顆量子通信衛(wèi)星“墨子號”，并在“天宮二號”上測試成功。2017年初，量子保密通信“京滬干線”全線貫通，該項目的總長度為2 000多公里，把北京、濟南、合肥、上海的城際量子通信網(wǎng)緊緊的連到了一起?，F(xiàn)階段我國通過光纖的城域以及城際量子通信技術(shù)實行實用化和產(chǎn)業(yè)化已領(lǐng)先于其他的國家很多。

預計到2030年，中國的量子通信衛(wèi)星網(wǎng)會發(fā)展到世界各地。量子通信和我國信息安全的戰(zhàn)略性技術(shù)和產(chǎn)業(yè)息息相關(guān)，有著廣泛的發(fā)展?jié)摿?，量子通信的絕對安全已經(jīng)應用于相關(guān)領(lǐng)域，將為我國信息安全產(chǎn)生深遠意義。要推進量子通信技術(shù)逐步完善以及實際應用，必須加大政策、資金支持力度和相關(guān)專利、標準編寫，大力弘揚“兩彈一星”和“偉大長征”精神，充分利用“互聯(lián)網(wǎng)+”和“工業(yè)制造2025”平臺，通過大眾創(chuàng)業(yè)萬眾創(chuàng)新和“彎道超車”，建設(shè)信息網(wǎng)絡(luò)強國，確保國家信息網(wǎng)絡(luò)的絕對安全。

3.2 量子通信的應用前景

不論是在國防軍事、深海航天領(lǐng)域，還是在國民經(jīng)濟、科教文衛(wèi)等領(lǐng)域，量子通信都展現(xiàn)出非常廣泛的利用價值。自理論到實驗，量子通信正逐漸趨于實用化。在長期的研究下，量子密鑰分配（QKD）技術(shù)已逐漸發(fā)展成熟，慢慢朝推廣試用期進行邁入，屬于量子通信技術(shù)朝實用化方向進行發(fā)展的重要體現(xiàn)。當前，量子隱形傳送（QT）、量子安全直接通信（QSDC）以及量子機密共享（QSS）等都屬于量子通信的前沿理論，并得到了廣大科學家的探索與實驗研究，而其要想真正實現(xiàn)實用化與產(chǎn)業(yè)化還需要一定的時間。所以，接下來，不但需加強量子通信技術(shù)的研究與研發(fā)，對信息安全解決方案進行全面的探索，同時，還需加強其科技成果的轉(zhuǎn)化與運用，以量子通信核心關(guān)鍵設(shè)備開發(fā)為基礎(chǔ)，不斷推動量子通信產(chǎn)業(yè)及相關(guān)企業(yè)的發(fā)展。在此過程中，政府需投入大量的資金，并加強量子通信產(chǎn)業(yè)人才的培養(yǎng)，不斷儲備專業(yè)人才。量子通信網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合屬于當前的主要發(fā)展方向，將來，還會在專網(wǎng)、公眾網(wǎng)、云安全以及星地等方面進行更廣泛的運用。

總而言之，相比傳統(tǒng)的通信來說，量子通信具備諸多優(yōu)點，如安全保密性強、傳輸速度快、時效性高以及無電磁輻射污染等，這些優(yōu)點對于量子通信技術(shù)得到更廣泛的運用奠定了基礎(chǔ)，是其廣闊前景的象征。

4 結(jié)論

本文通過詳細探討量子通信理論，分析了量子通信的基本原理，并介紹了量子通信的體系框架，而后對量子通信的應用現(xiàn)狀及應用前景進行了詳細的分析?？偠灾孔油ㄐ偶夹g(shù)有著廣闊的應用前景，其具備高效性、絕對安全性等特點。量子通信技術(shù)的發(fā)展不但帶來了機遇，同時也伴隨著挑戰(zhàn)，對于科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著非常重要的影響。在未來，其將成為世界通信領(lǐng)域發(fā)展的主要方向和熱點。

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