量子通信技术.docx

1、量子通信技术量子通信技术学 院：信息学院 专 业：通信工程 学 号：20131060189 学生姓名：欧阳倩 指导老师：常俊、袁洪、马祖辉 完成时间：2016 年5月 摘要：量子通信作为近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域，也是是目前国际量子物理和信息科学的研究热点。本文从传统通信研究者的角度，回顾了量子理论及量子通信技术的发展概况；讨论了量子通信的定义和理想量子通信系统模型；分析了量子通信现在可以达到的通信能力；并基于现有技术水平和应用需求，提出了量子通信技术现实应用的设想和未来应用的展望。关键词：量子通信 量子理论 系统模型 通信能力 应用展望Abstrac

2、t: As a new type of quantum communication interdisciplinary developed nearly two decades, it is a new research in the field of quantum theory and information theory combining quantum, physics also is the international information and scientific research focus. From the perspective of traditional com

3、munications researcher, reviews the development of quantum theory and quantum communication technology before; discusses the definition of an ideal quantum communication and quantum communication system model; analysis of the communications capabilities of quantum communication can now be achieved;

4、and based on the prior art level and application requirements, made the prospects envisaged practical application of quantum communication technologies and future applications.Keywords: quantum ；theory of quantum ； communication system model ； communication capabilities application prospect 第一章 引言量子

5、通信是一种具备无条件安全性的物理层安全解决方案，其技术现状、实用化水平和发展面临的瓶颈是业界关注的焦点。量子通信作为一个既古老又新鲜的话题，近年来频频出现于各类学术会议或期刊上。电视、广播、报刊等媒体常见关于国内外研究机构实现量子通信技术重大突破的报道。“最近的16 公里量子态隐形传输的成功试验表明， 中国将有能力建立起卫星与地面的安全量子通信网络。”来自美国时代周刊的“爆炸性新闻”栏目以“中国量子科学的飞跃” 为题, 对2010 年中国科技大学与清华大学合作完成的16 公里量子态隐形传输试验进行了评论。以上事实说明，国家多项科学研究计划都已对量子通信展开研究，并已取得多项重大进展，有些方面已

6、达世界领先水平。表示了量子通信已从基础研究逐步走向工程化研究阶段。那么相比于经典通信, 量子通信究竟有哪些优势, 有哪些应用, 源于何种原理以及方法和技术手段等, 无疑是大家所关心的。本文将介绍量子通信的基本概念与方法、技术模型, 以及未来应用前景。第二章 量子通信介绍2.1 量子通信的发展概况2.1.1 量子理论的建立 1905年，Einstein引入光量子概念，成功解释了光电效应，并因此获得1921年度诺贝尔物理学奖。1913年，Bohr在卢瑟福原子模型基础上建立了原子的量子理论。1923年，发过物理学家de Broglie提出物质波的概念。1925年，德国物理学家Heisenberg建立

7、了量子理论的第一种数学描述矩阵力学。1926年，薛定谔建立了描述量子波形特性的偏微分方程式，即著名的薛定谔方程，给出了量子理论的第二种描述波动力学。1927年，在意大利矩形的国际物理学讨论会上，Bohr作了关于量子力学的报告，被看作是量子力学的正式建立仪式1。2.1.2 量子通信的提出1984年，来自IBM研究组的Bennett与加拿大蒙特立尔大学的Brassard一起提出了第一个实用性的量子密码通信协议BB84协议。该协议实际上是一个通过量子信道产生和传送密钥的方案，如图) 所示。量子信道的载体是单个光子，可以用其偏振状态（极化方向）、相位或者频率等物理量来携带量子密钥信息。由于量子信道的非

8、理想化，还需要采用经典信道来配合进行量子态测量方法的协商和码序列的验证。假定窃听者在不被察觉的情况下无法窃听量子信道的信息，然而能够在不篡改数据的前提下窃听经典信道的信息，此时可以证明密钥传输的安全性。利用量子密钥对通信信息进行逐比特加密后在经典信道上传输，理论证明可以达成无条件安全通信（也称之为绝对安全通信）。1991年，牛津大学的Ekert提出了E91协议。第二年，Bennett提出用两个非正交态实现量子密码通信B92协议2。 附图1 基于BB84协议的量子密码通信系统2.1.3 国内外量子通信发展概况国内外实验室研究和现场试验结果表明，目前量子通信理论和实现方法研究已取得突破性进展，量子

9、通信技术已初步成熟。我国在量子通信技术方面整体上并不落后，在理论和实验两方面均走在了世界前列，在有些方面甚至处于世界领先地位。2.2 量子通信的定义量子信息中引入了“量子比特”的概念，在量子信息理论中，量子信息的基本单位是量子比特，从物理学上说，量子比特就是量子态，具有量子态的属性，因此有很多不同于经典比特的特征。量子信息中引入了“量子比特”的概念，在量子信息理论中，量子信息的基本单位是量子比特，量子态来表示信息是量子信息的出发点,有关信息的所有问题都必须采用量子力学理论来处理,信息的演变遵从薛定谔方程,信息传输就是量子态在量子通道中的传送,信息处理(计算) 是量子态的幺正变换,信息提取便是对

10、量子系统实行量子测量。，即可认为量子通信是利用量子力学的基本原理（如量子态不可克隆原理和量子态的测量塌缩性质等）或者利用量子态隐形传输等量子系统特有属性，以及量子测量的方法来完成两地之间的信息传递。2.3 理想量子通信系统模型量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。如下图所示，该模型包括量子信源、编码器(量子态发生器)、信道(量子通道)、解码器(量子测量装置)和量子信宿几个主要部分。当中：量子信源是消息产生器；量子信宿是消息的接受者；量子编码器用于把消息变换成量子比特，用量子态作为消息的载体以传输量子信息；量子译码器用于把量子信息比特转换成消息；信道包括量子传输信道和辅

11、助信道两个部分：量子传输信道就是传输量子信号的通道，辅助信道是指除了传输信道和测量信道外的其他附加信道，如经典信道，图中虚线表示。在量子信道可以单独使用，也可以与经典信道结合起来传输量子信息和经典信息；量子噪声是环境对量子信号影响的等效描述3。 附图2 简单量子通信系统2.4 量子通信的特点量子通信与传统通信技术相比，具有如下主要特点和优势:具有极高的安全性和保密性，根据量子不可克隆定理，量子信息一经检测就会产生不可还原的改变，如果量子信息在传输中途被窃取，接收者必定能发现，量子通信没有电磁辐射，第三方无法进行无线监听或探测；时效性高传输速度快，量子通信的线路时延近乎为零，量子信道的信息效率相

12、对于经典信道量子的信息效率高几十倍，并且量子信息传递的过程没有障碍，传输速度快；抗干扰性能强，量子通信中的信息传输不通过传统信道，与通信双方之间的传播媒介无关，不受空间环境的影响，具有完好的抗干扰性能，同等条件下，获得可靠通信所需的信噪比比传统通信手段低3040dB；传输能力强，量子通信与传播媒介无关，传输不会被任何障碍阻隔，量子隐形传态通信还能穿越大气层，既可在太空中通信，又可在海底通信，还可在光纤等介质中通信4。2.5 量子通信的应用近年来，网络信息安全问题日益加剧了人们的忧虑和关注，随着量子计算技术的快速发展，传统保密通信技术自身的安全性也将面临挑战。量子通信作为能够提供无条件安全性保证

13、的信息安全解决方案受到世界各国政府、学术界和产业界的广泛关注。为了让量子通信从理论走到现实,从上世纪90年代开始,国内外科学家做了大量的研究工作。自1993年美国IBM的研究人员提出量子通信理论以来，美国国家科学基金会和国防高级研究计划局都对此项目进行了深入的研究，欧盟在1999年集中国际力量致力于量子通信的研究，研究项目多达12个，日本邮政省把量子通信作为21世纪的战略项目。我国从上世纪80年代开始从事量子光学领域的研究，近几年来，中国科学技术大学的量子研究小组在量子通信方面取得了突出的成绩。2003年,韩国、中国、加拿大等国学者提出了诱骗态量子密码理论方案,彻底解决了真实系统和现有技术条件

14、下量子通信的安全速率随距离增加而严重下降的问题。2006年夏,我国中国科学技术大学教授潘建伟小组、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、欧洲慕尼黑大学维也纳大学联合研究小组各自独立实现了诱骗态方案，同时实现了超过100公里的诱骗态量子密钥分发实验，由此打开了量子通信走向应用的大门。2008年底，潘建伟的科研团队成功研制了基于诱骗态的光纤量子通信原型系统，在合肥成功组建了世界上首个3节点链状光量子电话网，成为国际上报道的绝对安全的实用化量子通信网络实验研究的两个团队之一（另一小组为欧洲联合实验团队）。2009年9月，潘建伟的科研团队正是在3节点链状光量子电话网的基础上，建成了世界上首个全通型量子通信网络，

15、首次实现了实时语音量子保密通信。这一成果在同类产品中位居国际先进水平，标志着中国在城域量子网络关键技术方面已经达到了产业化要求。全通型量子通信网络是一个5节点的星型量子通信网络，克服了量子信号在商用光纤上传输的不稳定性是量子保密通信技术实用化的主要技术障碍，首次实现了两两用户间同时进行通信，互不影响。该网络用户间的距离可达20公里，可以覆盖一个中型城市；容纳了互联互通和可信中继两种重要的量子通信组网方式，并实现了上级用户对下级用户的通信授权管理。该成果首次全面展示和检验了量子通信系统组网和扩展的能力，标志着大规模可扩展网络量子通信技术的成熟，将量子通信实用化和产业化进程又向前推进了一大步。据称

16、，潘建伟团队将与中国电子科技集团公司第38研究所等机构合作，在合肥市及周边地区启动建设一个40节点量子通信网络示范工程，为量子通信的大规模应用积累工程经验5。2.6 量子通信技术未来展望刚发布的“十三五规划建议”指出，以2030年为时间节点，再选择一批体现国家战略意图的重大科技项目，力争有所突破。而在提及的七大项目中就包含量子通信。作为信息传输安全的解决方案，量子通信成为各国重点攻关的方向，而我国在这一领域也处于世界领先地位。国信证券研究报告称，国内已准备将量子通信进行商用。量子通信可能成为继高铁、核电外又一张国家“名片”。目前，量子通信的基本理论和和框架已经形成，在单光子、量子探测、量子存储

17、等量子通信关键技术获得发展和突破条件下，各种理论体系正日趋完善，量子通信技术已经从科研阶段逐步进入试点应用阶段；量子通信的绝对保密性也决定了其在军事、国防、金融等领域有着广阔的应用前景，随着技术日趋完善和成熟，在未来的大众商业市场中，量子通信将具有极大的应用潜力。量子通信应用试点逐步开展，国内外产业化趋势已经形成，量子密钥分发保密通信的高安全性所蕴含的战略意义和经济价值备受政府、学术界与产业界的重视，近年来试点应用和产业化也呈现出快速发展趋势；量子通信的试点应用催生了一批由科研机构孵化的量子技术科技产业实体，能够提供初步商用化的量子密钥分发系统器件、终端设备和整体应用解决方案，进行量子保密通信

18、前沿研究成果向应用技术和商用化产品的转化，同时国家对于量子通信的专项投入和政策扶持也为其快速发展注入了强劲动力6。量子通信与现有通信的融合将是一个相互取长补短的过程，未来量子通信将与现有通信深度融合量子通信不会完全替代现有的通信技术，而是在现有技术基础上，在物理层、网络层、应用层将两者进行融合。第三章 结束语本文主要介绍了量子通信的基本概念与方法、技术模型, 以及未来应用前景。量子通信，就是迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式。也就是说，使用量子通信传递信息，我们的信息安全可以得到很好的保障。量子通信是经典信息论和量子力学相结合的一门新兴交叉学科，与此刻成熟的通信技术相比，量子通信具有

19、巨大的优越性，具有保密性强、大容量、远距离传输等特点。量子通信不仅在军事、国防等领域具有重要的作用，而且会极大地促进国民经济的发展。参考文献1量子通信以实验驳倒爱因斯坦中国科普博览. 2013(5)2蒋佳玲朱长明. 量子通信技术发展现状及应用A.国际太空.2015.(11) 3宋海刚,谢崇波. 量子通信实用化现状分析与探讨J. 中国基础科学. 2011(03)4詹源源.量子通信技术的发展动态及应用期刊论文-科协论坛（下半月） 2011(2)5责任编辑. 量子通信技术应用前景广阔.中国信息产业网.2015(7)6席晓. 从科研转入试点量子通信有望彻底解决通信安全问题期刊论文-通信世界 2015(

20、23) 注释 薛定谔方程表明量子力学中，粒子以概率的方式出现，具有不确定性，宏观尺度下失效可忽略不计。量子态不可克隆原理：量子不可克隆:量子力学的线性特性禁止对任意量子态实行精确的复制,量子不可克隆定理和不确定性原理构成量子密码术的物理基础。量子态的测量塌缩性质：量子塌缩，是对一个由测量量的多个本征态叠加起来的态进行测量时，这个态会塌缩成其中的一个本征态。量子态隐形传输：量子态隐形传输就是指利用“量子纠缠”技术，借助卫星网络、光纤网络等经典信道，传输量子态携带的量子信息。致谢 在经过这学期通信新技术讲座课程的学习，我从老师们身上学到了很多全新的知识。无线电、5G、3C融合、MIMO、量子通信等，我对通信新技术这个领域产生了很强烈的兴趣。相信在未来的通信产业发展中，一定会有越来越多的通信新技术被发明利用，造福社会。最后，非常感谢老师们对我的辛勤培育和尊尊教诲。希望在以后的学习道路上能够持之以恒，永不气馁，遇到问题不逃避，迎难而上。