專題：量子通信技術

特邀策劃人

教授，博士生導師。北京郵電大學電子工程學院執(zhí)行院長，信息光子學與光通信國家重點實驗室副主任。教育部光電教指分委協(xié)作委員。享受國務院政府特殊津貼專家，入選國家百千萬人才工程，有突出貢獻中青年專家。長期從事光電信息領域科研和教學，主持承擔了國家自然科學基金重點項目、國家863計劃項目、國家973計劃課題等，榮獲國家科技獎3項、國家級教學成果獎1項，成果曾入選國家“十二五”科技創(chuàng)新成就展、2018年和2019年全國科技活動周展示。主要研究方向：光網(wǎng)絡、空天地網(wǎng)絡、內生安全、邊緣計算與人工智能等。

內容導讀

量子通信技術是利用微觀粒子的量子態(tài)或量子糾纏效應等進行密鑰或信息傳遞的新型通信方式，是量子信息科學的重要分支。量子通信技術基于量子力學的基本原理來保障通信安全，在國防、政務、能源、金融、衛(wèi)星通信等領域具有廣泛應用潛力。當前階段，量子通信的典型應用形式包括量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)兩類。前者通過對單光子或光場正則分量的量子態(tài)制備、傳輸和測量，在收發(fā)雙方間實現(xiàn)無法被竊聽的安全密鑰共享，與傳統(tǒng)加密技術相結合完成經(jīng)典信息加密和安全傳輸；后者基于通信雙方光子糾纏對分發(fā)(信道建立)、貝爾態(tài)測量(信息調制)和幺正變換(信息解調)實現(xiàn)量子態(tài)信息直接傳輸。隨著量子通信技術的發(fā)展與創(chuàng)新，量子通信組網(wǎng)與應用逐漸引起了業(yè)界的廣泛關注。為了使大家對量子通信技術有更深入的認識，我們組織了本專題。

量子糾纏是量子信息研究的核心資源，是量子密碼、量子隱形傳態(tài)和線性光學量子計算等研究方向的基礎?？蒲屑壛孔蛹m纏源存在代價昂貴、對環(huán)境要求較為苛刻和量子光信號無法可視化等問題，嚴重限制了其在教學場景下的普及。針對上述問題，《基于參量下轉換的量子糾纏光源仿真模型》選取典型的I型BBO量子糾纏光源，對其實際器件和糾纏光源進行了建模，并利用量子態(tài)演化理論，給出了符合計數(shù)與實驗系統(tǒng)關鍵器件之間的函數(shù)關系。該模型與實驗數(shù)據(jù)保持了較好的一致性。這一方法和思路可推廣到其他量子糾纏光源的仿真，也可用于教學和科學實驗裝置的設計。

在量子與經(jīng)典光混傳系統(tǒng)中，如何將量子信號和經(jīng)典光信號復用在同一根光纖中以大幅提高系統(tǒng)容量和節(jié)約光纖資源是近年來的研究熱點之一。在共纖傳輸過程中，由于量子信號功率極其微弱，容易受到來自經(jīng)典光信號的噪聲干擾?！兑环N面向量子安全光通信的低噪聲波長分配方案》主要研究了四波混頻和拉曼散射這兩種主要噪聲對量子信號產(chǎn)生的影響，提出了一種通過選擇性避免部分四波混頻噪聲，來有效抑制總體噪聲的波長分配方案。仿真結果表明所提方案可有效抑制四波混頻和拉曼散射噪聲的影響，并提高波長資源利用率。

量子密鑰分發(fā)組網(wǎng)可以將點到點量子密鑰分發(fā)技術擴展為端到端、多用戶的安全密鑰分發(fā)，標準化是量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡走向實用化的關鍵。為推動量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡技術研究、標準化與實際應用，《量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡架構及其標準化》梳理了其組網(wǎng)基本原理，并從標準化角度介紹了其網(wǎng)絡分層模型和功能架構，討論了分布式控制、集中式控制、分級控制、集中密鑰中繼等多種組網(wǎng)方案，進一步剖析了其未來研究趨勢及標準化工作展望。

隨著第一顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”的成功部署，量子密鑰分發(fā)在自由空間上的應用引起了網(wǎng)絡安全通信領域研究人員的廣泛關注。自由空間遠程量子密鑰分發(fā)具有低衰減、廣覆蓋的特點，可以克服基于地面光纖量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡傳輸距離的限制。然而，目前自由空間中只有1顆量子衛(wèi)星，量子衛(wèi)星光組網(wǎng)還面臨著許多機遇和挑戰(zhàn)。針對上述背景，《量子衛(wèi)星光網(wǎng)絡前瞻》論述了量子衛(wèi)星光網(wǎng)絡的關鍵核心技術，剖析了自由空間量子密鑰分發(fā)未來研究趨勢及在實際應用中所面臨的難題，展望了量子衛(wèi)星光網(wǎng)絡的典型應用場景。

量子網(wǎng)絡編碼是一種可以提升量子通信網(wǎng)絡效率的技術，目前已經(jīng)驗證了其可行性。截止目前為止，國內外研究人員已經(jīng)提出了一系列代表性的量子網(wǎng)絡編碼方案。論文《量子網(wǎng)絡編碼研究進展》總結了量子網(wǎng)絡編碼的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，分析了量子網(wǎng)絡編碼的發(fā)展方向。隨著量子通信技術的迅猛發(fā)展，量子網(wǎng)絡編碼的研究與應用將為量子互聯(lián)網(wǎng)的建設帶來全新的思路。

綜上所述，本專題包含了量子通信器件、系統(tǒng)、組網(wǎng)和應用等多個層次的文獻，能夠反映量子糾纏光源、量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)與組網(wǎng)、量子網(wǎng)絡編碼等技術的研究現(xiàn)狀和關鍵結論，希望能夠給廣大讀者提供有益的啟示和參考。衷心感謝各位作者精心撰稿！