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【摘 要】量子通信技术作为一种新兴的通信技术，在保密性、通信距离以及通信容量这几个方面具有优势。本文主要谈谈量子通信的几种技术及发展。
【关键词】量子通信技术 发展
随着科技发展，信息技术的进步面临严重问题。摩尔定律告诉我们硅芯片的性能每18-24个月提升一倍，集成电路容纳的元器件数目12个月也将增加一倍。尽管现在增加速度放缓，但随着半导体晶体管的尺寸接近纳米级，元器件的间距无限缩小、大小接近分子水平，其物理、化学特性将发生质变不能保证集成电路的正常工作，摩尔定律将走到尽头。
与此同时，信息网络安全问题也日显突出。通过对信息加密，可解决窃听、黑客攻击等问题，但随着信息技术的发展，计算能力大幅度提高，必定存在一种译码技术可以破解复杂的密码。美国战略和国际问题研究中心发布数据表示网络犯罪每年给全球带来高达4450亿美元的经济损失，信息安全在国防安全、商业机密等方面的重要性就更加突出了。
1 量子信息的基本概念
1.1 量子
量子是构成物质的最基本单元，是能量的最基本携带者，其基本特征是不可分割性。
1.2 量子比特
量子比特（quantum bit，简写为qubit或qbit），与经典比特（bit）只能处在“0”或“1”的某一种状态不同，量子比特既可能处于0态，也可能处于1态，还可能处于这两个态的叠加态。量子比特的实现最常采用的是以光信号为载体，还可以是电子、原子核、超导线路和量子点等载体。光信号主要包括单光子和连续变量。单光子可以用垂直偏振和45°偏振表示量子比特0>，用水平偏振和135°偏振表示量子比特1>，还可以用光子的相位和光脉冲中的光子数来表示量子比特。连续变量可以用广义位置和广义动量的取值来表示量子比特。
1.3 量子纠缠
纠缠是量子粒子之间的连接，是宇宙的结构单元。在量子力学中能够制备这样两个纠缠的粒子态，当一个粒子发生变化，立即在另一个粒子中反映出来，——不管它们之间相隔多远。量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间的非定域非经典的强关联。
1.4 量子隐形传态
量子隐形传态是将量子纠缠特性作为通信信道使用，从而实现任意未知量子态传输的一种技术，它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息。
量子隐形传态的基本原理，就是对待传送的未知量子态与EPR对的其中一个粒子实施联合Bell基测量，由于EPR对的量子非局域关联性，此时未知态的全部量子信息将会“转移”到EPR对的第二个粒子上，根据经典通道传送的Bell基测量结果，对EPR的第二个粒子的量子态进行相应的幺正变换，使之变为与所传送的未知态完全相同的量子态，从而达到量子态的转移。在传送过程中，原物始终留在发送者处，接收者是将别的物质单元制备成为与原物完全相同的量子态，双方对这个量子态一无所知。经典信道传送的是发送者的测量结果，不包含未知态的任何内容。
1.5 量子通信协议
量子通信协议是指量子通信的双方完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。量子通信协议按照通信任务目标可分为隐形传态、密集编码和量子保密通信协议。BB84协议是最早提出的量子保密通信协议，也是最接近实用化的量子通信协议。 BB84协议示意图如图1。
BB84协议使得两个经过认证的通信双方在遥远的两地可以连续地建立密钥，进而通过一次一密密码本加密协议实现安全通信。它以“海森堡不确定性原理”和“未知量子态的不可克隆性”的特性为基础，开辟了密钥分发和保密通信的方向。目前BB84协议正在向性能稳定、高速成码、网络化的产业化方向发展。
2 量子通信的几种技术简介
2.1 量子信号的产生技术
量子信号的产生技术包括纠缠光子信号的产生技术、单光子信号的产生技术和连续变量量子信号的产生技术。用光子晶体光纤产生纠缠的技术，系统有稳定、易于集成的优点，在未来的中短距离量子通信中，将占主导地位。目前技术上较为成熟的弱相干准单光子源技术被广泛用来实现BB84等量子保密通信协议。压缩态、纠缠态、相干态产生技术是连续变量量子信号产生技术，用来实现连续变量量子通信协议。
2.2 量子信号的调制技术
在量子通信中，不同的量子态资源决定了不同的量子信号调制方式。单光子量子信号的调制常用偏振调制、相位调制和频率调制，连续变量量子信号的调制常用高斯调制和离散调制。
2.3 量子信号的探测技术
在量子通信系统中，接收端中最重要的器件是量子信号探测系统。单光子探测器属于量子通信系统中的单光子信号探测技术，半导体雪崩光电二极管单光子探测器是实际系统中用得比较多的单光子探测技术。连续变量量子通信是将信息加载到光场的正交振幅和正交相位上的，它不同于单光子只是一个单纯的强度测量，而是需要借助一束本地光进行干涉测量。平衡零拍探测器是专门进行光场两正交分量测量的连续变量体系的探测技术。
2.4 量子中继技术
由于量子信号的不可克隆性，量子通信无法直接采用经典通信中“恢复——放大”的过程，而非定域的纠缠态是量子通信的重要资源，利用远距离分发纠缠粒子之间的非局域性可以实现隐形传态、密集编码等一系列量子通信协议。量子纠缠具有可交换性，采用基于纠缠交换的中继方案可以解决长距离通信的问题。量子中继示意图如图2。
2.5 量子通信网络技术
在量子通信网络中，主要有量子空分交换技术、量子时分交换技术、量子波分交换技术等。量子空分交换是通过改变光量子信号的物理传输通道来实现光量子信号的交换；量子时分交换是在时间同步的基础上对光量子信号进行时分复用而进行的交换；量子波分交换是将光量子信号经过波分解复用器、波长变换器、波长滤波器、波分复用器而进行的交换。
量子通信网络有三个功能层面：量子通信网络管理层、量子通信控制层和传输信道层。由量子通信控制层进行呼叫连接处理、信道资源管理和建立路由，进而控制光纤通道建立端到端量子信道，管理层负责资源和链路等的管理，控制层和管理层的功能由经典通信链路完成。
3量子通信的现状和发展趋势
目前，量子通信在单光子、量子探测、量子存储等关键技术已获得突破和发展，各种量子理论体系日趋完善，量子通信技术已逐步进入试点应用阶段。当今，美国、德国、日本等各国都投入了重金大力研究量子通信技术，我国也取得了丰硕的成果，在部分领域甚至世界领先，这必将促进我国经济的快速发展。
2016年底，北京和上海之间将建成一条全长2000余公里的量子保密通信骨干线路“京沪干线”，它是连接北京、上海的高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络，主要开展远距离、大尺度量子保密通信关键验证、应用和示范。此干线可以实现远程高清量子保密视频会议系统和其他多媒体跨越互联应用，也可以实现金融、政务领域的远程或同城数据灾备系统，金融机构数据采集系统等应用。2016年7月份中国将发射全球首颗量子科学实验通讯卫星，这标志着我国通信技术的突破性发展，标志着中国同时在军用通信领域站在了世界的最前列，之后会陆续发射的更多量子通讯卫星，就可以建成全球性的量子通信网络。正如潘建伟院士所说量子科学实验卫星的发射，将表明中国正从经典信息技术的跟随者，转变成未来信息技术的并跑者、领跑者，量子通信将会尽快走进每个人的生活，就像计算机曾经做到的一样，改变世界。量子通讯卫星和“京沪干线”的成功将意味着一个天地一体化的量子通信网络的形成。
量子通信与传统的经典通信相比，具有极高的安全性和保密性，且时效性高传输速度快，没有电磁辐射，它的这些优点决定了其无法估量的应用前景。通过光纤可以实现城域量子通信网络，通过中继器连接实现城际量子网络，通过卫星中转实现远距离量子通信，最终构成广域量子通信网络。未来数年内，量子通信将会实现大规模应用，经典通信的硬件设施并不会被完全取代，而是在现有设施的基础上进行融合。在通信发送端和接收端安装单光子探测器、量子网关等量子加密设备，即可在电话、传真、光纤网络等原有的通信网络中实现量子通信，这将大大地提升通信的安全性。量子通信有望在10到15年之后成为继电子和光电子之后的新一代通信技术，这种“无条件安全”的通信方式，将从根本上解决国防、金融、政务、商业等领域的信息安全问题。
4 结束语
展望量子通信的前景，未来能够形成天地一体化的全球量子通信网络，形成完整的量子通信产业链和下一代国家主权信息安全生态系统，构建基于量子通信安全保障的互联网。对于通信维护人员来说，就应该紧跟时代的步伐，加快学习新技术、新知识，以适应科技发展的需要，将所学所知更好地运用于我们的实际工作和生活中。
论文作者:徐国艟
论文发表刊物:《低碳地产》2016年12期
论文发表时间:2016/10/26
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