姚猛 南京理工大学电子工程与光电技术学院 张文博 南京理工大学电子工程与光电技术学院

量子通信技术原理与未来的应用研究

姚猛 南京理工大学电子工程与光电技术学院 张文博 南京理工大学电子工程与光电技术学院

量子通信在最近几年得到了飞速的发展，并且在信息安全传输方面有着骄人的成绩。本文首先从量子通信的概念出发，引出量子通信技术的原理以及所具备的独特优点，并结合了我国关于量子通信技术的发展简要分析量子通信技术在未来社会上的应用价值。

量子通信 发展现状 应用价值

量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新兴的通讯方式。量子通信是近20年来发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信主要涉及：量子密码通信，量子远程传态和量子密集编码等。该门学科已经不再拘泥于理论研究，而是走向实验并进入了实用化阶段。最吸引人的是，量子通信有着高效安全的信息传输特性，因此受到了人们的广泛关注。基于量子学科的基本原理，并因此成为国际上信息科学的研究热点。

1 量子通信技术的原理

光量子通信主要基于量子纠缠态的理论，使用量子隐形传态（传输）的方式实现信息传递。根据实验验证，具有纠缠态的两个粒子无论相距多远，只要一个发生变化，另外一个也会瞬间发生变化。因此我们可以利用这个特性实现光量子通信，具体过程如下：

（1）事先构建一对具有纠缠态的粒子，将两个粒子分别放在通信双方。

（2）将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量（一种操作），则接收方的粒子瞬间发生坍塌（变化），坍塌（变化）为某种状态，这个状态与发送方的粒子坍塌（变化）后的状态是对称的。

（3）将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方，接收放根据接收到的信息对坍塌的粒子进行幺正变换（相当于逆转变换），即可得到与发送方完全相同的未知量子态。

由此可见，量子通信技术的理论研究丰富，通信多采用的方式简洁明了，易于操作。

2 量子通信技术的两大优点

量子通信也具有很多的好处与优点，而这些优势也是很多普通的通信方式所不具备的。经典通信较光量子通信相比，其安全性和高效性都无法与之相提并论。下面分别进行讨论。

2.1 安全性

量子通信绝不会“泄密”，其原因主要体现在：

（1）量子加密的密钥是随机的，即使被窃取者截获，也无法得到正确的密钥，因此无法破解信息；

（2）分别在通信双方手中具有纠缠态的2个粒子，其中一个粒子的量子态发生变化，另外一方的量子态就会随之立刻变化，并且根据量子理论，宏观的任何观察和干扰，都会立刻改变量子态，引起其坍塌，因此窃取者由于干扰而得到的信息已经破坏，并非原有信息。

2.2 高效 .

被传输的未知量子态在被测量之前会处于纠缠态，即同时代表多个状态，例如一个量子态可以同时表示0和1两个数字，7个这样的量子态就可以同时表示128个状态或128个数字：0～127。光量子通信的这样一次传输，就相当于经典通信方式的128次。可以想象如果传输带宽是64位或者更高，那么效率之差将是惊人的2，以及更高。

3 量子通信技术的应用前景

量子通信具有传统通信方式所不具备的绝对安全特性，不但在国家安全、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景，而且逐渐走进人们的日常生活。但是让量子通信从理论走向现实的过程确是需要艰苦的努力的。我国从上世纪80年代开始从事量子光学领域的研究，近几年来，中国科学技术大学的量子研究小组在量子通信方面取得了突出的成绩。2009年9月，潘建伟的科研团队正是在3节点链状光量子电话网的基础上，建成了世界上首个全通型量子通信网络，首次实现了实时语音量子保密通信。这一成果在同类产品中位居国际先进水平，标志着中国在城域量子网络关键技术方面已经达到了产业化要求。

全通型量子通信网络是一个5节点的星型量子通信网络，克服了量子信号在商用光纤上传输的不稳定性是量子保密通信技术实用化的主要技术障碍，首次实现了两两用户间同时进行通信，互不影响。该成果首次全面展示和检验了量子通信系统组网和扩展的能力，标志着大规模可扩展网络量子通信技术的成熟，将量子通信实用化和产业化进程又向前推进了一大步。据称，潘建伟团队将与中国电子科技集团公司第38研究所等机构合作，在合肥市及周边地区启动建设一个40节点量子通信网络示范工程，为量子通信的大规模应用积累工程经验。

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