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1、量子通信技术发展及应用 打开文本图片集 【关键词】量子比特 量子纠缠 隐形传态 现状及发展 随着科学技术的迅猛发展，量子通信作为后摩尔时代的新技术，会渐渐走进人们的生活，尤其在金融、国防、信息平安等方面的应用将做出巨大的贡献。目前我国已经在光纤量子通信、空间量子隐形传态、纠缠分发和量子存储等关键技术方面取得了一些具有国际先进水平的科研成果，整体发展水平居于世界前列。 1 量子通信简介 量子通信的概念是由美国科学家C.H.Bennett于11013年提出的，他指出量子通信是由量子态携带信息的通信方式，是利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程。 量子通信的最大优点是其具有理论上的无条件、
2、平安性和高效性。它对金融、电信、军事等领域有极其重要的意义，目前在实际应用中已经获得了肯定的发展。量子通信主要有量子密钥安排、量子隐形传态、量子平安干脆通信和量子机密共享等。 2 量子信息的基本概念 2.1 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，其基本特征是不行分割性。 2.2 量子比特 量子比特，与经典比特只能处在“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纳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
3、，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。 2.3 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，当一个粒子发生改变，马上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。 11012年，法国物理学家爱伦.爱斯派克特和他的小组胜利地完成了微观粒子“量子纠缠”现象的确存在的试验。试验证明了爱因斯坦的“幽灵”超距作用的存在，证明了任何两种物质之间不管距离多远，都有可能相互影响，不受四维时空
4、的约束，是非局域的。量子纠缠反映了量子理论的基本特性：相干性、或然性和空间非定域性。这些特性已经广泛应用于量子通信中，实现基于纠缠的量子密钥分发、量子隐私共享、密集编码和隐形传态等。 2.4 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运用，从而实现随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。 量子隐形传态示意图如图1。 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对的其次个粒子上，依据经典通道传送的Bell基测量结果，对E
5、PR的其次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窍不通。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。 2.5 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需遵循的规则和约定。量子通信协议根据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，也是最接近好用化的量子通信协议。 BB84协议示意图如图2。 BB84协议使得两个经过认证的通信双方在遥远的两地
6、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平安通信。它以“海森堡不确定性原理”和“未知量子态的不行克隆性”的特性为基础，开拓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。 3 量子通信的几种技术简介 3.1 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，在将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
7、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。 3.2 量子信号的调制技术 在量子通信中，不同的量子态资源确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。 3.3 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，而是须要借助一束本地光进行干涉测量。平衡零拍探
8、测器是特地进行光场两正交重量测量的连续变量体系的探测技术。 3.4 量子中继技术 由于量子信号的不行克隆性，量子通信无法干脆采纳经典通信中“复原放大”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，采纳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3。 3.5 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变更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
9、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、量子通信限制层和传输信道层。由量子通信限制层进行呼叫连接处理、信道资源管理和建立路由，进而限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，限制层和管理层的功能由经典通信链路完成。 4 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探讨量子通信技术，我国也取得了丰
10、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。 2022年初，我国中科院士潘建伟带领的技术团队，在合肥建成了国际上首个规模化的节点数达46个的城域量子通信网络。从2022年起先，我国还构建了基于量子通信的高平安通信保障系统，在北京已经投入永久运营，为十八大、2022年9.3阅兵都供应了重要的信息平安保障。 2022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
11、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。2022年7月份中国将放射全球首颗量子科学试验通讯卫星，这标记着我国通信技术的突破性发展，标记着中国同时在军用通信领域站在了世界的最前列，之后会接连放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试验卫星的放射，将表明中国正从经典信息技术的跟随者，转变成将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，变更世界。量子通讯卫星和“京沪干线”的胜利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，具有极高的平安性
12、和保密性，且时效性高传输速度快，没有电磁辐射，它的这些优点确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。将来数年内，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平安性。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“无条件平安”的通信方式，将从根本上解决国防、金融、政务、商
13、业等领域的信息平安问题。 5 结束语 展望量子通信的前景，将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平安生态系统，构建基于量子通信平安保障的互联网。对于通信维护人员来说，就应当紧跟时代的步伐，加快学习新技术、新学问，以适应科技发展的须要，将所学所知更好地运用于我们的实际工作和生活中。 参考文献 1伊浩，韩阳等.量子通信原理与技术M.北京：电子工业出版社，2022. 2潘建伟.量子信息技术前沿进展Z.新华网，2022. 3英布莱恩.克莱格.量子纠缠M.重庆：重庆出版社，2022. 第8页 共8页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页