量子通信技術(shù)發(fā)展中存在的問題探究

◆黃偉賢 張勇 劉嵩鶴

量子通信技術(shù)發(fā)展中存在的問題探究

◆黃偉賢 張勇 劉嵩鶴

（解放軍95072部隊(duì) 廣西 530022）

隨著我國科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，我國通信技術(shù)當(dāng)前已經(jīng)進(jìn)入全新發(fā)展階段。通信技術(shù)在現(xiàn)代信息技術(shù)中占據(jù)重要位置，改變了人們傳統(tǒng)的信息交流和交換方式，在信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，量子通信技術(shù)研究逐漸取得突破，成為通信技術(shù)發(fā)展中的重要方向，但是因?yàn)榧夹g(shù)發(fā)展不夠成熟，還存在著一些問題需要解決，才能夠提高通信質(zhì)量。因此，本文將對量子通信技術(shù)發(fā)展中存在的問題進(jìn)行深入的研究與分析，并提出一些合理的意見和措施，旨在進(jìn)一步促進(jìn)我國通信技術(shù)水平提升。

量子技術(shù)；量子通信技術(shù)；存在問題；技術(shù)優(yōu)勢；發(fā)展前景

量子通信技術(shù)相比于傳統(tǒng)的通信技術(shù)而言，其信息傳輸速率更快，保密性更強(qiáng)，是當(dāng)前世界各國在通信技術(shù)研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容。量子通信技術(shù)基于量子力學(xué)原理，將微觀世界的物質(zhì)特征應(yīng)用在通信領(lǐng)域中，在保持較高信息傳輸速率的同時(shí)，在通信加密方面具有較大優(yōu)勢，逐漸成為當(dāng)前通信技術(shù)領(lǐng)域研究的熱門話題。量子通信技術(shù)研究對于提高通信質(zhì)量有著重要的意義，且當(dāng)前量子通信技術(shù)研究正處于關(guān)鍵階段，所以必須準(zhǔn)確掌握量子通信技術(shù)中存在的問題，對問題進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，才能夠全面提高我國量子通信技術(shù)水平。

1 量子通信技術(shù)內(nèi)涵分析

1.1 量子通信技術(shù)基本概念

量子通信是采用量子相干疊加、量子糾纏效應(yīng)完成信息傳輸?shù)囊环N通信技術(shù)，主要包括量子理論和信息理論。從物理學(xué)層面出發(fā)，量子通信技術(shù)是物理極限下采用量子效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高性能通信的一種技術(shù)，具有物理原理的信息絕對安全性，能夠有效解決傳統(tǒng)通信技術(shù)中無法解決的多項(xiàng)問題[1]。從信息學(xué)層面出發(fā)，量子通信技術(shù)采用量子的不可復(fù)制特性和隱性傳輸特性，通過量子測量方式完成信息傳輸。量子通信技術(shù)中傳輸信息不是經(jīng)典信息，而是量子所攜帶的量子信息，與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比具有多項(xiàng)優(yōu)勢，標(biāo)志著未來通信技術(shù)全新發(fā)展方向。

1.2 量子通信技術(shù)發(fā)展

量子通信技術(shù)研究開始于1980年之前，1970年美國哥倫比亞大學(xué)著名學(xué)者Wiesner提出利用量子力學(xué)理論提高信息傳輸安全性的設(shè)想；在1979年，美國IBM企業(yè)多位學(xué)者聯(lián)合提出將量子力學(xué)理論應(yīng)用在通信技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)想；1981年Feynman提出采用傳輸量子信息的設(shè)想，標(biāo)志量子信息理論研究開始。隨后，世界多位著名學(xué)者和專家開展關(guān)于量子通信技術(shù)的研究，相繼提出量子糾纏、密鑰分發(fā)等概念，是量子通信理論正式誕生的標(biāo)志。在1990年前后，通過自由空間信道完成第一次演示性量子通信試驗(yàn)，量子通信信息傳輸距離為32m。1993年，Bennett正式提出量子通信概念，同年多位科學(xué)家采用經(jīng)典信號通道與量子糾纏的方法，設(shè)計(jì)量子隱性信息傳輸方案；2012年，中國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)百公里級量子隱性傳輸，為星地間量子通信技術(shù)研究打下基礎(chǔ)。

1.3 量子通信技術(shù)體系架構(gòu)

量子通信技術(shù)體系架構(gòu)主要包括量子態(tài)發(fā)生器、量子通道以及量子測量等設(shè)備，量子通信技術(shù)的信息傳輸基本流程為：量子信源→量子編碼→量子調(diào)制→本地測量/量子傳輸信道（量子噪聲）→輔助信道→本地測量→量子解調(diào)→量子解碼→量子信宿。在量子通信技術(shù)的基本架構(gòu)以及通信系統(tǒng)中，量子信源為量子信息產(chǎn)生器，表現(xiàn)形式為量子態(tài)；量子信宿的主要功能是接收量子信息；量子編碼的主要功能是將量子信息轉(zhuǎn)換為量子比特；量子解碼的主要功能是將量子信息比特轉(zhuǎn)化為信息。量子信道分為輔助信道與子傳輸信道兩個(gè)不同部分，傳輸信道主要采用量子信息傳遞，輔助信道是除了量子傳輸信道與測量信道之外的附加信道，比如經(jīng)典信道；量子噪聲是指外界環(huán)節(jié)對于量子信號所產(chǎn)生的影響。當(dāng)前，在量子通信技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用過程中，主要采用量子信道結(jié)合輔助經(jīng)典信道的新式，能夠?qū)崿F(xiàn)非理想的量子密鑰分發(fā)或者是量子密碼通信，在經(jīng)典信道的作用幫助下，通信雙方能夠通過量子信道完成量子信息交換，同時(shí)能夠獲取量子密鑰，既能夠保證量子信息傳輸速率，同時(shí)能夠保證量子信息傳輸安全性[2]。

1.4 量子通信技術(shù)的優(yōu)勢分析

量子通信技術(shù)與傳統(tǒng)的通信技術(shù)相比較而言，具有以下幾項(xiàng)優(yōu)勢：

（1）信息傳輸效率高。量子通信技術(shù)的線路時(shí)延性在理論狀態(tài)下可以無限接近于零。量子信道的信息傳輸效率相比于經(jīng)典信道能夠超出幾十倍以上，同時(shí)量子通信技術(shù)在信息傳遞過程中不會(huì)受到其他障礙影響，綜合信息傳輸速率較快。

（2）抗干擾能力較強(qiáng)。量子通信在信息傳輸?shù)倪^程中不會(huì)經(jīng)過傳統(tǒng)信道，且信息傳輸與信息雙方的傳播介質(zhì)無關(guān)，不會(huì)受到空間環(huán)境的影響，綜合抗干擾能力較強(qiáng)。

（3）安全性較好。因?yàn)榱孔泳哂胁豢蓮?fù)制性，所以量子信息產(chǎn)生后就不會(huì)發(fā)生改變，在量子信息傳輸過程中，如果被他人竊取，信息接收方則會(huì)直接發(fā)現(xiàn)。

（4）隱蔽性較好。量子通信技術(shù)不會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，所以除信息接收方之外其他方面無法對信息進(jìn)行監(jiān)測，具有良好的隱蔽性。

（5）噪聲較低。在相同的信息傳輸條件下，量子通信技術(shù)所產(chǎn)生的噪聲比傳統(tǒng)信息傳輸?shù)?5dB左右，所以噪聲量較低。

2 量子通信技術(shù)發(fā)展中存在的主要問題分析

根據(jù)當(dāng)前世界各國對量子通信技術(shù)的研究情況來看，雖然量子通信技術(shù)研究逐漸取得突破，但是依然存在著一些不可忽視的問題，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 單光子分離攻擊問題

光的最小單位為光子，但光子具有不可分離特性，當(dāng)前所采用的傳統(tǒng)通信技術(shù)中應(yīng)用弱相干光源技術(shù)，包含多種光子。量子通信技術(shù)系統(tǒng)的主要功能為量子密碼通道、量子遠(yuǎn)程傳輸以及量子密碼編輯等。對于單光子源技術(shù)，是不可以分離的，雖然通道消耗較大，但是能夠保證信息傳輸安全性，但是對于弱相干光源而言，具有一定的安全隱患，如果保護(hù)不當(dāng)可能會(huì)出現(xiàn)信息泄露的問題，主要是因?yàn)榭梢酝ㄟ^光子分離攻擊虛假的量子通信信道，從而獲取量子信息和密鑰，在該過程中信息則會(huì)被第三方獲取，是當(dāng)前量子通信技術(shù)領(lǐng)域尚未完全解決的問題。該問題與上文所述并不沖突，因?yàn)榱孔油ㄐ偶夹g(shù)在理想狀態(tài)下，信息傳遞過程中被第三方獲取就會(huì)被信息接收方感知，但是受到當(dāng)前技術(shù)水平的限制，采用單光子分離攻擊能夠獲取一定的信息，所以需要針對該安全問題進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化，才能夠全面提升量子通信技術(shù)信息傳輸安全性[3]。

2.2 木馬攻擊和側(cè)信道共計(jì)問題

在采用量子通信技術(shù)進(jìn)行信息傳輸?shù)倪^程中，量子密碼編碼技術(shù)具有關(guān)鍵性作用，信號源和信號接收器會(huì)受到來自木馬病毒的攻擊，從而會(huì)產(chǎn)生信息泄露的問題。在信息傳輸過程中，采用側(cè)信道攻擊、光能部件高能破壞攻擊以及大脈沖攻擊等方式，會(huì)對量子信息產(chǎn)生很大影響，從而出現(xiàn)信息泄露或密鑰泄露的問題。

2.3 光子源產(chǎn)生單光子效率較低的問題

根據(jù)量子通信技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐證明，單光子源具有較強(qiáng)的量子力學(xué)性能，但是因?yàn)槠渥陨聿痪哂锌煞指畹膬?yōu)勢，所以不能保證單光子脈沖具有完善的安全性。雖然在量子通信技術(shù)中量子密碼通道消耗較大，但是并不會(huì)對原信息的傳輸造成影響。當(dāng)前，由于技術(shù)水平的限制，單光子在制備過程中會(huì)產(chǎn)生多個(gè)信道，從而導(dǎo)致量子通信技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中效率較低的問題出現(xiàn)，同時(shí)弱光脈沖技術(shù)在應(yīng)用過程中還存在著許多問題，會(huì)降低量子密碼信道信息傳輸速率，也會(huì)引起量子密碼編碼錯(cuò)誤率提升的問題，從而對量子通信技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果產(chǎn)生很大影響。

2.4 探測效率較低的問題

按照當(dāng)前量子通信技術(shù)的發(fā)展基本情況來看，量子測量主要包括正定測量、投影測量以及通用測量三種不同技術(shù)方法，在應(yīng)用過程中，需要利用其他設(shè)備和被測量量子之間的相互協(xié)作完成信息測量基本流程。在量子探測測量過程中，會(huì)對信道中的量子傳輸狀態(tài)產(chǎn)生較大影響，從而引起信道測量結(jié)果出現(xiàn)偏差。此外，量子在信道中會(huì)處于相對統(tǒng)一的狀態(tài)，在測量過程中會(huì)受到弱相干光源的影響，從而導(dǎo)致信道中量子種類出現(xiàn)較大差異，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致量子信道出現(xiàn)塌縮問題，無法保證量子探測測量結(jié)果準(zhǔn)確性，且綜合探測測量效率較低，對于量子通信技術(shù)的應(yīng)用效果會(huì)產(chǎn)生很大影響。

2.5 與其他信道結(jié)合的問題

在當(dāng)前的量子通信技術(shù)研究中，因?yàn)榱孔用艽a信道與全光網(wǎng)絡(luò)信道需要完成高度融合，但是在實(shí)際融合的過程中會(huì)導(dǎo)致量子信道損耗問題逐漸加劇，從而會(huì)導(dǎo)致量子通信技術(shù)信息傳輸速率降低，尤其是在遠(yuǎn)距離信息傳輸過程中，影響更為嚴(yán)重，所以當(dāng)前量子通信技術(shù)的信道與其他信道在結(jié)合方面還存在著很大問題，尚未得以完全解決，對于量子通信技術(shù)質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。

3 量子通信技術(shù)發(fā)展前景分析

根據(jù)上文分析可以看出，量子通信技術(shù)是未來通信技術(shù)的主要研究方向，與傳統(tǒng)的通信技術(shù)相比具有許多優(yōu)勢，但是依然存在著一些沒有得到妥善解決的問題，所以為了促進(jìn)量子通信技術(shù)水平的提高，使其能夠在通信領(lǐng)域發(fā)揮出更好的作用，必須針對當(dāng)前量子通信技術(shù)發(fā)展過程中存在的問題，對其未來發(fā)展前景進(jìn)行預(yù)測和規(guī)劃，才能夠全面提高我國量子通信技術(shù)水平。在量子通信領(lǐng)域掌握更多核心技術(shù)，是提高我國綜合國力的重要方式。

從量子通信技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃來看，未來量子通信技術(shù)可以作為信息存儲(chǔ)的重要載體，且能夠與互聯(lián)網(wǎng)概念相結(jié)合，在工業(yè)生產(chǎn)、機(jī)械制造、通信領(lǐng)域以及軍事領(lǐng)域等發(fā)揮出更好的作用，所以國家和相關(guān)部門必須加強(qiáng)對量子通信技術(shù)的資源投入，保證量子通信技術(shù)研究具有充足的資源保障，才能夠完成量子通信技術(shù)研究創(chuàng)新，突破當(dāng)前量子通信技術(shù)水平的限制。將量子通信技術(shù)的優(yōu)勢在通信領(lǐng)域最大化發(fā)揮，不僅能夠提高信息傳輸質(zhì)量，更有利于保障信息安全，是信息時(shí)代發(fā)展過程中的核心技術(shù)，為此需要不斷加強(qiáng)量子通信技術(shù)研究。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文全面闡述量子通信技術(shù)的基本內(nèi)涵和發(fā)展現(xiàn)狀，并對其發(fā)展過程中存在的問題進(jìn)行探究，最后對量子通信技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行分析，希望能夠?qū)ξ覈ㄐ偶夹g(shù)研究有所幫助。

[1]王鵬飛. 解讀量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J]. 數(shù)字化用戶，2019，025（017）：24-24.

[2]陳妍，王曲. 試談量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J]. 電腦編程技巧與維護(hù)，2020（003）：169-171.

[3]高鵬，周華旭，于國際，等. 量子通信技術(shù)與當(dāng)前應(yīng)用分析[J]. 電子設(shè)計(jì)工程，2020（16）：0930-0930.