淺談量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析

周德建

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淺談量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析

周德建

廣東海格怡創(chuàng)科技有限公司，廣東 廣州 510000

進入21世紀，計算機技術(shù)的迅速普及給人們的工作與生活帶來了深刻影響，但是，信息科學(xué)自身發(fā)展存在著物理的局限性，而量子通信技術(shù)以無條件信息安全、高效抗干擾等特點，已成為各國角逐未來信息技術(shù)前沿的新領(lǐng)域、新方向，也必將給人類帶來難以估量的影響。

量子通信；發(fā)展現(xiàn)狀；應(yīng)用前景

1 量子通信技術(shù)發(fā)展的歷程

19世紀末麥克斯·普朗克發(fā)現(xiàn)了量子，20世紀中葉愛因斯坦和波爾進行了長達20年的偉大論戰(zhàn)，促進量子力學(xué)體系不斷完善，并逐漸形成量子通信理論基礎(chǔ)。在量子密鑰分發(fā)方面，1984年由IBM研究組與加拿大的Brassard等人經(jīng)過研究后首次提出具有實用價值的BB84量子密碼通信協(xié)議[1]，理論驗證可以達到無條件安全通信。2005年美國學(xué)者Lo等人提出多強度誘騙態(tài)調(diào)制方案，解決了弱相干光源多光子的安全漏洞，為量子通信技術(shù)走向?qū)嵱没蜷_大門。2013年中國科技大學(xué)潘建偉領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊，第一次實現(xiàn)了和測量器件沒有關(guān)系的量子密鑰分發(fā)，消除了單光子探測系統(tǒng)在現(xiàn)實環(huán)境中容易遭到黑客攻擊的安全隱患，安全性進一步增強。量子密鑰分發(fā)技術(shù)經(jīng)過30多年的發(fā)展，目前已有小規(guī)模的試點應(yīng)用和初步產(chǎn)業(yè)化趨勢。在量子隱形傳送方面，1997年奧地利Zeilinger小組首次驗證了在室內(nèi)的量子隱形傳送，后來他們又經(jīng)過多次試驗，將量子隱形傳送距離增加到600?m。2005年中國科學(xué)家在合肥創(chuàng)造了13?km的雙向量子糾纏分發(fā)世界紀錄，2010年中國科技大學(xué)與清華大學(xué)通過合作研究，將量子態(tài)隱形傳輸距離提高到16?km，2015年中國科學(xué)家開展的“多自由度量子體系的隱形傳態(tài)”研究，在年度國際物理學(xué)領(lǐng)域的10項重大突破中名列榜首，為未來量子網(wǎng)絡(luò)開啟了瞬間傳輸技術(shù)的大門，量子通信有望承擔起未來宇宙通信的使命。

2 量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

在中國國內(nèi)，以郭光燦為核心的科研團隊在2004年首次完成了從北京到天津的量子密鑰分配方案，其傳輸距離達到了125?km左右。2007年國內(nèi)科學(xué)家趙義博首次完成了涵蓋四個用戶的量子密碼通信體系的測試實驗。2008年實現(xiàn)了節(jié)點距離達到30?km的即時網(wǎng)絡(luò)通話系統(tǒng)。2009年，我國第一個量子政務(wù)網(wǎng)站在郭光燦科研小組的籌備下成立。2000年以后中國相關(guān)科學(xué)家逐漸將量子通信應(yīng)用于太空研究、空地通信當中，2013年中國科學(xué)研究院首次完成了星地密鑰分配實驗，并在濟南建設(shè)了集控站以及用戶節(jié)點，量子通信開始真正的應(yīng)用于太空實驗，星地通信當中。

3 量子通信技術(shù)發(fā)展的困境

3.1 系統(tǒng)性能有待提高，技術(shù)瓶頸有待突破

基于光纖傳輸?shù)牧孔用荑€分發(fā)技術(shù)（QKD）的量子保密通信百公里長距離傳輸?shù)陌踩a率約為10?kb/s量級，相對于經(jīng)典通信實現(xiàn)的Tb/s量級差距很大，難以實現(xiàn)一次一密加密。在數(shù)十公里短距離傳輸方面，目前實現(xiàn)的安全碼率約為2?Mb/s量級，QKD系統(tǒng)協(xié)議處理機制仍需改進，單光子源、高品質(zhì)糾纏光源、高性能光子探測器等核心器件的性能不高。在廣域量子通信組網(wǎng)方面，量子態(tài)存儲技術(shù)、量子糾纏操控技術(shù)關(guān)鍵問題尚未突破。星地量子通信是未來實現(xiàn)廣域組網(wǎng)的目標方案，但目前尚無量子通信衛(wèi)星平臺的成功試驗，其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)性能仍需進一步驗證。

3.2 系統(tǒng)的現(xiàn)實安全性存在風(fēng)險

在基于量子密鑰分發(fā)技術(shù)（QKD）的量子保密通信系統(tǒng)中，光源、信道節(jié)點和接收機的不理想特性，可能成為被竊聽者利用的安全漏洞，針對QKD系統(tǒng)進行攻防測試和安全性升級，將成為運營維護時必須面對的技術(shù)問題。在長距離量子通信傳輸過程中，由于現(xiàn)階段QKD系統(tǒng)的密鑰生成碼率較低，在對高速信息進行加密處理時，難以滿足一次一密的加密要求，也有可能成為整個系統(tǒng)的安全風(fēng)險點。

3.3 初期市場規(guī)模和用戶群體有限

現(xiàn)階段量子通信主要面向政務(wù)、國防、金融等長期安全性要求很高的特定應(yīng)用領(lǐng)域，市場規(guī)模有限且較為分散，加之傳統(tǒng)通信業(yè)界對于量子通信的應(yīng)用參與程度較低，目前仍持觀望態(tài)度。此外，對現(xiàn)有系統(tǒng)進行量子通信升級的前期軟硬件改造投入較高，基于量子密鑰分發(fā)技術(shù)（QKD）的保密通信系統(tǒng)中包含大量精密光學(xué)器件，對日常使用和運營維護有較高要求，也影響了市場需求。

3.4 技術(shù)驗證與標準規(guī)范研發(fā)滯后

對于任何高新技術(shù)，測試認證和標準化都是商用化、市場化推廣的必要條件，需要計量和標準化組織的協(xié)調(diào)與合作。量子通信作為量子物理學(xué)和信息科學(xué)的前沿交叉學(xué)科，涉及眾多技術(shù)領(lǐng)域，標準化工作的難度較大。當前，在量子通信領(lǐng)域國際標準化研究相對滯后，主要體現(xiàn)在對標準化重視程度不夠，研究機構(gòu)和企業(yè)各自為戰(zhàn)，缺乏有效的溝通和協(xié)作機制，難以形成合力，無法形成試點應(yīng)用經(jīng)驗的標準化成果。

4 量子通信技術(shù)發(fā)展的條件

滿足絕對安全高效的通信需求隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人類開始步入高度的信息化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化時代，移動互聯(lián)網(wǎng)、電子商務(wù)、移動支付和互聯(lián)網(wǎng)金融也得到了大力發(fā)展，然而網(wǎng)絡(luò)信息安全卻風(fēng)波不斷。比如，支付寶客戶欠款丟失、蘋果承認存在“安全漏洞”、12306網(wǎng)站用戶身份證敏感信息數(shù)據(jù)泄露、匯豐銀行發(fā)生史上最大規(guī)模泄密等重大信息安全事件，都反映出傳統(tǒng)保密通信系統(tǒng)的安全性正面臨著嚴峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的經(jīng)典保密通信系統(tǒng)往往依賴于密鑰的安全性，不依賴于加密體制或者算法，由于現(xiàn)有的通信保密系統(tǒng)沒有絕對安全的方案進行密鑰分發(fā)，導(dǎo)致經(jīng)典保密通信系統(tǒng)不可能具有嚴格的安全性。而量子通信是近年來興起的新型交叉學(xué)科，是量子論和信息論相結(jié)合的最新研究領(lǐng)域。與傳統(tǒng)通信方式相比，量子通信傳輸速度比光速高出4個數(shù)量級，其中的信息傳輸與傳播媒介無關(guān)，具有完好的抗干擾性能，從而實現(xiàn)不可被破譯的完美通信。量子通信具備的效率高、速度快和保密性強等特點，完全符合未來航天、軍事、政務(wù)、金融等對信息通信安全的發(fā)展要求。

5 結(jié)論

信息時代，信息安全和通信能力將成為決定國家安全的重要基礎(chǔ)，因此包括我國在內(nèi)的世界各國對于信息安全的重視程度都非常高。量子通信技術(shù)以其安全性和高速傳輸速率將成為未來主流通信技術(shù)，在一些核心技術(shù)突破后量子通信技術(shù)將逐漸進入實用階段，在國家安全、國民經(jīng)濟中將扮演非常重要的角色。

[1]賴俊森，吳冰冰，湯瑞，趙文玉，張海懿.量子通信應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展分析[J].電信科學(xué)，2016（3）：123-129.

[2]鄭博熙，杜英.淺談量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析[J].電子世界，2016（8）：192，196.

[3]任媛媛.量子通信技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用前景[J].安徽科技，2016（10）：53-56.

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1009-6434（2017）04-0079-02