论文——量子通信的原理与应用

量子通信的原理与应用学 院 自动化学院 专 业 电气工程及其自动化 年级班别 学 号 学生姓名 指导教师 年 月 日摘 要随着通信技术的飞速发展，通信安全也越发成为人们关心的重点。通信安全不止于个人信息通信，对于国家军事政治通信更是有着重大的意义。如果通信内容遭到他人恶意截获，势必会对通信者造成不可挽回的损失。量子通信在理论上具有无与伦比的安全性，将在不久的将来改变传统加密技术。本文针对量子通信加密技术的原理、性能以及实际应用展开一系列理论论述。关键词：量子通信，产业化，前景 AbstractWith the rapid development of quantum communication, the communication security as an important part of communication had become the key problem. Communication security is not only in personal information communication, but also of great significance to the national military and political communication.If the content of the communication is intercepted by others, it is bound to cause irreparable loss to the communicator.Quantum communication has unparalleled security in theory, it will change the traditional encryption technology in the near future. In this paper, the principle, performance and practical application of quantum communication encryption technology are discussed.Key words：quantum communication ，industrialization，prospect1 绪论2016年8月16日1时40分，我国成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。墨子号量子卫星的主要科学目标是借助卫星平台，进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破。同时，在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。构建空地一体的广域量子通信体系，为率先建成全球化的量子通信网络奠定基础2 基础原理在传统通信中，信息不可避免地会遭到受到“拦截-重发”的威胁，尤其是在计算机计算能力不断增强的压力下，传统通信的安全得不到保障。量子通信的是利用信息载体的量子特性，达到在理论上绝对安全的通信技术，原理上包括 测量塌缩理论：除非该量子态本身即为测量算符的本征态，否则对量子态进行测量会导致“波包塌缩”，即测量将会改变最初的量子态。 不确定原理：不能同时精准测量两个非对易物理量。 不可克隆原理：无法对一个未知的量子态进行精确的复制。 单个光子不可再分：不存在半个光子。根据“海森堡测不准原理”，任何测量都无法穷尽量子的所有信息。因此，窃听者想要复制一个完全相同的光子是根本不可能的事情。同时，任何截获或测量量子密钥的操作都会改变量子状态，窃听者只得到无意义的信息，而接受者也可以从量子态的改变，知道存在窃听者。这就是量子通信的安全性的基础【1】。3 量子通信的优点3.1量子密码通信安全性能高由于量子力学的不确定性原理、测量塌缩性原理、不可克隆性原理，使得量子通信具有极强的安全性。量子密码通信中以光子、微弱激光脉冲、压缩态光信号、相干态光信号以及量子光孤子信号为信息的载体。光子以整体呈现，不可分，在原理上窃听者不可能通过分割光子的方法进行窃听，而截取完整光子又会留下痕迹被发现这保证量子密码通信绝对安全。3.2量子密码通信在信息传递上效率高量子密码信息传递的效率主要是由量子态的运动频率决定的量子态的运行速率比我们认为传播速度最快的光速快的多。而且光在传播过程中会产生线路滞留的时间，而量子密码信息传递过程中几乎没有使得量子密码信息通信的传递速度与光速相比大大增加。而电流通信比之光速仍不能及，更不要说与量子密码通信相比了。量子密码通信是在光纤通信技术上发展而来的一种新型的通信方式，具有高效性。3.3传送容量大量子通信的信息载体可携带的信息数量极为庞大，在相向温度下。相同数量的量子信息载体所承载的信息数量远远大于光纤通信栽体携带的信息量光纤通信是目前认为信息传送容量最多的通信方式但量子通信信息携带量为光纤通信信息承载量的几十倍。说明与传统的通信方式相比光纤通信在信息册容量方面具有极大的优势【2】。4 量子通信面临的难题虽然量子通信具有以上诸多优点，但是由于受到各方面的限制，目前量子通信的作用与理论还有相当的差距，造成这种状况的原因主要有下几个方面4.1系统性能待提高，技术瓶颈待突破。通信系统其核心器件，如单光子源、高品质纠缠光源、高性能光子探测器等器件的研发进展相对缓慢。量子态存储和纠缠操控技术目前尚不成熟，其中涉及的关键技术和系统性能仍需进一步验证。4.2系统的现实安全性存在一定风险，在实际的系统中，光源、信道节点和接收机的不理想特性使其难以满足理论协议模型的安全性证明要求。成为可能被窃听者利用的安全漏洞。4.3目前应用场景有限，前期投入偏高。虽然量子通信对政务、国防、金融等长期安全性要求很高的特定应用场景意义重大，但市场规模有限且较为分散，传统通信业界对于量子通信的应用目前仍然持观望态度，参与程度和热情较低，对产业推广不利【3】。5 实际应用1984年美国IBM公司科学家Bennett等人提出了首个量子密钥分发协议BB84协议，使量子通信的研究从理论走向了现实。2005年美国学者IJ0等人了多强度诱骗态调制方案，解决了量子密钥分发系统中的 弱相干光源多光子的安全漏洞，为量子通信的实用化打开了大门。目前，量子通信在国外已有小规模的试点应用。随着 量子密钥分发技术的发展和逐步成熟，世界各国试点应用呈现快速发展趋势，2003年美国DARPA资助哈佛大学 建立了世界首个量子密钥分发保密通信网络。此后。欧美日等多个地区和国家相继建成了瑞士量子、东京QKD和 维也纳SECOQC等多个量子通信实验网络，演示和验证了城域组网、量子电话、基础设备保密通信等应用睁垌。2013年 美国知名研究机构Battelle公布了环美量子通信骨干网络项目，计划采用瑞士IDQ公司设备，基于分段量子密钥分发结合安全可信节点密码中继的组网方式，为谷歌、微软、亚马逊等互联网巨头的数据中心提供具备量子安全性的通信保障服务。6 我国量子通信现状国内量子通信的试点应用起步稍晚但发展迅速。2007年中国科学技术大学在北京实现了国内首个光纤量子电话。之后相继在北京、济南、芜湖和合肥等地建立了多个城域量子通信示范网、金融信息量子通信技术验证专线以及关键部门间的量子通信热线。2014年，量子通信“京沪干线”项目通过评审并开始建设，计划建成北京和上海之间的基于安全授信节点密码中继的距离超2000 km的国际首个长距离光纤量子通信骨干线路。中国科学院牵头 的战略先导专项“量子科学实验卫星”计划，由中国科学技 术大学、中国科学院研究所和中国航天科技集团第八研究 院合作，现已于2016年发射全球首个量子通信卫星，2017年1月18日，中国发射的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”圆满完成了4个月的在轨测试任务，正式交付用户单位使用。在量子通信的国际赛跑中，中国属于后来者。经过多年的努力，中国已经跻身于国际一流的量子信息研究行列，在城域量子通信技术方面也走在了世界前列，建设完成合肥、济南等规模化量子通信城域网，“京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网也即将竣工。目前，由中国科学技术大学牵头承建的国家量子通信骨干网“京沪干线”项目合肥至上海段日前顺利开通。这条长达712公里的线路是目前全球已开通的最长量子保密通信骨干网络，将为长三角地区的金融、政务等行业提供高安全通信服务。同时，“京沪干线”是世界第一条量子通信保密干线，传输距离达2000多公里，途经北京至上海多个城市，主要承载重要信息的保密传输，将建成高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络。不论在国内还是在国际上都具有重要意义。7 结语由于量子通信技术的各种优势，国际上的一些国家，特别是美国、日本、欧盟都投入了大量的人力物力，进行量子通信的理论与实验研究。2002年美国BBN公司，哈佛大学和波士顿大学开始联合建造DARPA网络。2010年日本在三个政府机构之间使用量子密钥分配技术，并于2010年10月在东京演示了一个城域量子保密通信网。2010年西班牙马德里建成欧盟第一个城域QKD网络。我国也在量子通信技术的道路上不断发展。2012 年“金融信息量子通信验证网”是世界首次利用量子通信网络 实现金融信息的传输。2012年党的 “十八大”期间在部分核心部位部署量子通信系统。“京沪干线”的建设，为打造广域量子通信网络打下坚实的基础。各国在量子通信的理论与实验研究上展开了激烈的竞争，可见在未来的一段时间里量子通信作为未来信息通信行业的一个新兴战略性制高点，将会成为国家科技实力竞争的主战场之一，同时也是我国在高新技术研究与应用领域为数不多的与国际发展保持同步并且有望实现跨越引领的突破口。虽然量子通信的应用发展仍然面临从技术产业到测评标准等多方面的瓶颈和局限，现阶段尚不具备大规 模应用推广的条件，但我国仍应该重视该项目的发展，不断完善量子通信