量子通信技術現狀與應用前景分析

張燦?夏耀威?陳健?狄麗娟

摘要：量子通信是與國家信息安全相關的國際公認的戰略競爭領域。這世紀以來，在通信安全和快速通信等方向量子通信技術有了很大的進步，使得量子通信得到了普遍的運用，為量子通信在將來世界的發展打下了基礎。在本文中，對量子通信的原理、結構以及特性作出了闡述，以及對量子通信技術的發展現狀和運用前景進行了分析。

關鍵詞：量子通信技術；通信安全；通信原理

量子通信作為一種新型通信手段，是一種通過量子特有糾纏效應傳輸信息的通信技術。它作為一門新興學科，有著遠大的前景，對照傳統的通信技術，量子通信“打破”了傳統的通信方式。近年來，這門新興學科“走過”了從理論到實驗的過程，并已在實際生活中得到應用。該技術在隱身傳輸和加密安全領域取得了令人矚目的成就，以及其余的通信技術未曾具有的高效率和相對安全等特點，令量子通信技術成為了世界通信領域的熱點。

通過利用量子力學、量子并行性、量子糾纏和非克隆等量子特性，來探索量子的信息傳遞等技術，以便通過量子的獨特性來突破原始芯片的“束縛”。量子糾纏在量子力學理論中很難理解，它是通過物理概念產生的效應，但現在人類開始將實現并利用此效應。在現實世界中，可通過光纖來傳遞量子信息進而實現量子通信的過程。但由于光纖會遭到本身和地理條件的限度，并不能再任何地方都實現這個過程。為了突破限制，基于對量子隱形傳態的拓展，科學家們設計了一種通信方案。這種新型的通信方案是以EPR粒子對的遠程相關性作為依據實現的。因此，這種方案也可以用過傳遞信息的新方式。

1 量子通信技術

1.1 量子通信的基本原理

對比傳統通信方式，量子通信擁有速度快、承載信息容量大以及機密性強等優勢。量子通信信息傳輸的進程，便驗證了量子力學原理。量子信號源、量子信道以及量子信宿都包含在量子通信系統中。量子信號源生成信息并將其發送出去；量子信宿接受信號源的信息；接收到的量子信息通過量子解調還原成原始信息。原子、電子、光子這三種粒子具有量子效應。因此，所有擁有量子效應的粒子都可以用作量子信道的信號。在信息傳輸過程中，因為光信號的傳輸特性，量子通信也是量子光通信。通過單光子，量子通信便能克服空間的局限性，實現理想中的全球化、高速以及高機密性通信。

1.2 量子通信的體系架構

量子通信系統的體系結構包括：量子信源、量子編碼器、量子調制器、量子解調器、量子傳輸信道、輔助信道、量子信道噪聲、量子譯碼器以及量子信宿。

1.3 量子通信技術的特性

（1）無條件安全性

量子通信技術將量子態作為突破傳統加密技術的關鍵。在原理上，量子通信技術的特性包括無法竊聽性、無法復制性以及“理論上”的無條件安全性。在量子傳輸的過程中，理論上量子態會由于其他攔截或嘗試獲取量子密鑰的操作所改變。因此，具有“理論上”的無條件安全性。

（2）量子通信擁有很強的抗干擾和傳輸能力

量子通信不會受到信息傳輸中任何障礙的阻礙，并且線路傳輸延遲極短，因此可以實現最快的通信傳輸。相比于傳統的通信手段，由于量子通信是基于量子糾纏的通信方式，因此量子通信不會受到電磁的干擾。在信息傳輸方面，量子隱形傳態則可以突破地理條件的限制，具有很強的傳輸能力。

2 對量子通信發展現狀與應用前景的分析

2.1 對量子通信的發展現狀分析

量子通信是通信史上一次重大的突破，使人們對未來的通信技術充滿希望。由于量子通信技術的獨特性，它在建立安全性和機密性以及大型信息傳輸系統方面具有天然的優勢。量子通信技術在傳輸大量信息時的高效性機密性使得該技術廣泛用于軍事和國防領域。中國已高度注重量子通信技術的利用，并將其提升到信息安全網絡水平采取信息安全網絡規劃。中國首創的量子衛星“墨子”號成功發射。量子安全通信“京滬鐵路”連接了北京等地的量子通信網絡。這些我國在量子通信方向的發展都表現了我國在該領域的重大成就。科學以及工業化會越來越成熟，量子產品會被普及，“量子+”時代便會來臨。

2.2 對量子通信技術的應用前景分析

隨著“十三五”規劃的推進，政府，軍事基地等重要機構將加大對信息安全的需求，大學等其他科研機構的產業化力量，以及量子通信技術的應用。量子通信的發展會更加迅速。經過對我國現今在量子通信方向的進展的研究，本文僅從國防及軍事領域做出了以下思考：首先，現有的軍事通信系統網絡能夠布置量子密鑰生產和調配系統，以將量子密鑰分配給未來戰場覆蓋區域中的任何兩個用戶。通過這種方式，便能在未來作戰的環境下形成可移動的安全通信網絡。其次，由于光學量子密碼學的“加密可知”和“不可破解”的特點，現有的光纖通信設備可以與光量子密碼學相結合，以提高當前軍事網絡傳輸的機密性。第三，軍事信息網絡對于大容量，高速率的傳輸處理具有很高要求。通過對量子通信技術的進一步研究和開發，可以嘗試利用量子隱形傳態等來建立滿足軍隊對安全保密和效率等有特殊要求的軍事信息網絡。

3 結語

在當今社會，世界各國越來越多地要求通信技術的效率和安全性。因而，量子通信已發展為量子為通信領域的熱點。中國應該在創新的路途上提升量子通信技術的實效性，使其始終處于領先地位。

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作者簡介： 張燦（1993-），男，湖北武漢人，碩士，研究方向：量子計算機與量子通信。

（作者單位：湖北工業大學）