万骏

摘 要 近几年，量子通信实现了高效发展，在信息安全传输方面取得了良好的成绩。文章以量子通信理论作为主要研究课题，首先分析了量子通信的基本原理，主要包含有BB84协议及光子数分离攻击，而后概括了其体系架构，最后详细分析了量子通信的应用现状及应用前景，以期推动量子通信技术的进一步发展。

關键词 量子通信；协议；应用前景

中图分类号 TN91 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）207-0100-02

量子通信指的是以量子态及量子纠缠效应为基础来实现信息或密钥传输的一种通信方式，在量子力学原理的基础上，可以实现绝对性安全，为被监控和被窃听提供安全保证。在量子力学及量子信息技术的指引下，精确操控光子和原子等微观粒子得到了实现，同时，还可以针对信息实施编码、存储、传输、运算以及调制。目前，量子通信主要涉及到量子密钥分发、量子秘密共享、量子数字签名、量子隐形传态、量子中继、量子数据锁以及量子指纹识别等方面。随着信息技术的不断快速发展，在目前这个复杂的安全形势下，量子通信发挥着重要的作用，量子通信以量子力学原理为基础，在通信方面运用微观视角下的物质特性，在高速传输及高可靠保密通信方面有着极大的优势，已成为当下科技的主要研究和发展方向。本文则基于此对量子通信理论及其应用进行了详细的探讨。

1 量子通信的基本原理

对于量子通信，基于概念的视角来看，指的是通过量子介质所具有的信息传递功能来实现通信的一种方法。基于技术原理的视角来看，量子通信就是通过量子具有的纠缠效应来实现传递信息、传输数据的一个较为先进的通信技术。

1.1 BB84协议及其安全性

与经典通信比起来，量子通信最大的优势是它能够保证严格数学证明时候的安全性（绝对安全性）。为了使保密通信绝对安全，Benett与Brassard在1984年时研究出世界上第一个量子密钥分发协议，也就是非常有名的BB84协议。BB84协议可以让通信双方在很远的两个地方就能够持续地建立密钥，但前提是双方都要完成认证，从而利用一次一密密码本加密协议来保证通信的安全。这一办法的安全性是以量子力学中的基本的两个原理为基础：单光子所具有的不可分割性以及单光子量子态时所具有的测量塌缩性。

1.2 光子数分离攻击

因量子通信通道非常容易被损耗，当距离大于100km时，结合探测效率来看，其效率将会在整体上低于千分之一。以相关理论为基础，就算处于高损耗通道下，理想单光子源依然可以保持绝对安全状态，但是，同样处于高损耗通道下，系统真正运用的弱光却有着不一样的结果：在此过程中，窃听者能够假装为通道损耗，以光子数分离攻击为基础来得到具体的密码。以偏振空间为例，其实弱相干态脉冲是由单光子和多光子脉冲结合而构成的。也就是说在非真空脉冲中，一部分为单光子，一部分为多光子（即2光子或3光子等）。在多光子脉冲中，其涵盖了大量的全同偏振光子。对于窃听者来说，其能够保存一个光子，将其他的光子分离，并传送给远程合法用户。窃听者能够像合法用户一样，在不扰乱合法用户的光子偏振态的情况下，拥有同样的偏振光子。也就是说窃听者能够在隐秘的情况下完整的获取信息。合法用户不会发觉窃听者的这种行为，这主要是由于窃听者能够随时对各单独脉冲进行调整，以控制通道衰减系数，进而把控好合法用户的探测器计数率，使之与高损耗自然通道相统一。

2 量子通信的体系架构

量子通信的体系架构主要包含有量子态发生器、量子通道以及量子测量装置等几个部分，图1即为其基本模型。

量子通信系统的主要部件是由量子态发生器、量子通道以及量子测量装置所构成的。按其所传送的信息可以将它分为两类，若其所传送的信息为经典信息则一般用来传输量子密钥，若其所传送的信息为量子信息，则一般用来分发量子隐形传态以及量子纠缠。现阶段在量子通信系统在实际工作的应用中，通常采用“量子信道+辅助经典信道”的办法进行分发非理想类的量子密钥又或者是量子密码通信。在经典信道的辅助下，通信双方通过量子信道来完成量子信息的交互与同步，获取量子密钥。

3 量子通信的应用现状及前景3.1 量子通信的应用现状

目前，量子通信不但在军事、国防、金融这些领域起到非常重要的作用，而且还很大程度地推进了我国国民经济的发展。在1993年美国IBM的研究者研究出量子通信理论之后，美国国内的科学基金会、国防高级研究计划局都加入了这一项目的研究。瑞士、法国这些欧美国家也专门成立公司来对量子通信进行商业研发。2012年2月17日，合肥市成功设立城域量子通信实验示范网，并正式投入了运行，一共包含有46个节点，光纤为1 700km，以6个接入交换及集控站为基础，将40组“量子电话”用户及16组“量子视频”用户连接起来。2013年5月，中科院第一次完成了星地量子密钥分发的全方位地面试验。2013年11月，济南成功设立量子保密通信试验网，其中包含有3个集控站以及50个用户节点。

我国已经将量子通信、量子计算纳入了“十三五”规划之中，并将其提高到信息网络安全战略层面进行布局谋划。2016年8月16日，我国发射了世界上第一颗量子通信卫星“墨子号”，并在“天宫二号”上测试成功。2017年初，量子保密通信“京沪干线”全线贯通，该项目的总长度为2 000多公里，把北京、济南、合肥、上海的城际量子通信网紧紧的连到了一起。现阶段我国通过光纤的城域以及城际量子通信技术实行实用化和产业化已领先于其他的国家很多。

预计到2030年，中国的量子通信卫星网会发展到世界各地。量子通信和我国信息安全的战略性技术和产业息息相关，有着广泛的发展潜力，量子通信的绝对安全已经应用于相关领域，将为我国信息安全产生深远意义。要推进量子通信技术逐步完善以及实际应用，必须加大政策、资金支持力度和相关专利、标准编写，大力弘扬“两弹一星”和“伟大长征”精神，充分利用“互联网+”和“工业制造2025”平台，通过大众创业万众创新和“弯道超车”，建设信息网络强国，确保国家信息网络的绝对安全。

3.2 量子通信的应用前景

不论是在国防军事、深海航天领域，还是在国民经济、科教文卫等领域，量子通信都展现出非常广泛的利用价值。自理论到实验，量子通信正逐渐趋于实用化。在长期的研究下，量子密钥分配（QKD）技术已逐渐发展成熟，慢慢朝推广试用期进行迈入，属于量子通信技术朝实用化方向进行发展的重要体现。当前，量子隐形传送（QT）、量子安全直接通信（QSDC）以及量子机密共享（QSS）等都属于量子通信的前沿理论，并得到了广大科学家的探索与实验研究，而其要想真正实现实用化与产业化还需要一定的时间。所以，接下来，不但需加强量子通信技术的研究与研发，对信息安全解决方案进行全面的探索，同时，还需加强其科技成果的转化与运用，以量子通信核心关键设备开发为基础，不断推动量子通信产业及相关企业的发展。在此过程中，政府需投入大量的资金，并加强量子通信产业人才的培养，不断储备专业人才。量子通信网络和现有网络的结合属于当前的主要发展方向，将来，还会在专网、公众网、云安全以及星地等方面进行更广泛的运用。

总而言之，相比传统的通信来说，量子通信具备诸多优点，如安全保密性强、传输速度快、时效性高以及无电磁辐射污染等，这些优点对于量子通信技术得到更广泛的运用奠定了基础，是其广阔前景的象征。

4 结论

本文通过详细探讨量子通信理论，分析了量子通信的基本原理，并介绍了量子通信的体系框架，而后对量子通信的应用现状及应用前景进行了详细的分析。总而言之，量子通信技术有着广阔的应用前景，其具备高效性、绝对安全性等特点。量子通信技术的发展不但带来了机遇，同时也伴随着挑战，对于科技产业的发展有着非常重要的影响。在未来，其将成为世界通信领域发展的主要方向和热点。

参考文献

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