量子通信范文

量子通信范文第1篇

关键词：量子算法；Shor算法；Grover算法；量子通信；量子智能计算

【分类号】：TM743

1.概述

量子计算是计算机科学与量子力学相结合的产物，根据Moore定律可知：当计算机的存储单元达到原子层次时，显著地量子效应将会严重影响计算机性能，计算机科学的进一步发展需要借助新的原理和方法【1】，量子计算为这一问题的解决提供了一个可能的途径。

根据量子计算原理设计的量子计算机是实现量子计算的最好体现。量子计算机是利用微观粒子状态来进行存储和处理信息的计算工具【2】。其基本原理是通过物理手段制备可操作的量子态，并利用量子态的叠加性、纠缠性和相干性等量子力学的特性进行信息的运算、保存和处理操作，从本质上改变了传统的计算理念。

量子通信是量子理论与信息理论的交叉学科，是指利用量子的纠缠态实现信息传递的通讯方式。量子的纠缠态是指：相互纠缠的两个粒子无论被分离多远，一个粒子状态的变化都会立即使得另一个粒子状态发生相应变化的现象。量子通信主要包括两类：用于量子密钥的传输，和用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。与传统的通信技术相比，量子通信具有容量大，传输距离远和保密性强的特点。

2.量子计算基础

2.1 量子位

计算机要处理数据，必须把数据表示成计算机能够识别的形式。与经典计算机不同，量子计算机用量子位来存储信息，量子位的状态既可以是0态或1态，也可以是0态和1态的任意线性叠加状态。一个n位的量子寄存器可以处于 个基态的相干叠加态 中，即可以同时存储 种状态。因此，对量子寄存器的一次操作就相当于对经典计算机的 次操作，也就是量子的并行性。

2.2.量子逻辑门

对量子位的态进行变换，可以实现某些逻辑功能。变化所起到的作用相当于逻辑门的作用。因此，提出了“量子逻辑门”【3】的概念，为：在一定时间间隔内，实现逻辑变换的量子装置。

量子逻辑门在量子计算中是一系列的酉变换，将酉矩阵作为算符的变换被成为酉变换。量子位的态 是希尔伯特空间（Hilbert空间）的单位向量，实现酉变换后希尔伯特空间，在希尔伯特空间内仍为单位向量。【4】

3.量子算法

量子算法的核心就是利用量子计算机的特性加速求解的速度，可以达到经典计算机不可比拟的运算速度和信息处理功能。目前大致五类优于已知传统算法的量子算法：基于傅里叶变换的量子算法，以Grover为代表的量子搜素算法，模拟量子力学体系性质的量子仿真算法，“相对黑盒”指数加速的量子算法和相位估计量子算法。

3.1基于傅里叶变换的量子算法

Shor于1994年提出大数质因子分解量子算法，而大数质因子分解问题广泛应用在RSA公开密钥加密算法之中，该问题至今仍属于NP难度问题。但是Shor算法可以在量子计算的条件下，在多项式时间内很有效地解决该问题。这对RSA的安全性有着巨大的挑战。

Shor算法的基本思想是：利用数论相关知识，通过量子并行特点，获得所有的函数值；再随机选择比自变量小且互质的自然数，得到相关函数的叠加态；最后进行量子傅里叶变换得最后结果。构造如下函数：

就目前而言，该算法已经相对成熟，对其进行优化的空间不大。目前研究者的改进工作主要是：通过对同余式函数中与N互质的自然数选择的限制，提高算法成功的概率。Shor算法及其实现，对量子密码学和量子通信的发展有着极重要的价值。[7]

3.2以Grover为代表的量子搜素算法

3.2.1 Grover算法

Grover算法属于基于黑箱的搜索算法，其基本思想为：在考虑含有 个数据库的搜索问题，其中搜索的解恰好有 个，将数据库中的每个元素进行量化后，存储在 个量子位中， 与 满足关系式 。【8】将搜索问题表示成从0到 的整数 ，其中函数 定义为：如果 是需要搜索的解， ；若不是需要搜索的解，那么 。【12】

具体算法如下：

（1）初始化。应用Oracle算子 ，检验搜索元素是否是求解的实际问题中需要搜索的解。

（2）进行Grover迭代。将结果进行阿达马门（Hadamard门）变换。

（3）结果进行 运算。

（4）结果进行阿达马门变换。【12】

4. 量子智能计算

自Shor算法和Grover算法提出后，越来越多的研究员投身于量子计算方法的计算处理方面，同时智能计算向来是算法研究的热门领域，研究表明，二者的结合可以取得很大的突破，即利用量子并行计算可以很好的弥补智能算法中的某些不足。

目前已有的量子智能计算研究主要包括：量子人工神经网络，量子进化算法，量子退火算法和量子免疫算法等。其中，量子神经网络算法和量子进化算法已经成为目前学术研究领域的热点，并且取得了相当不错的成绩，下面将以量子进化算法为例。

量子进化算法是进化算法与量子计算的理论结合的产物，该算法利用量子比特的叠加性和相干性，用量子比特标记染色体，使得一个染色体可以携带大数量的信息。同时通过量子门的旋转角度表示染色体的更新操作，提高计算的全局搜索能力。

目前量子进化算法已经应用于许多领域，例如：工程问题、信息系统、神经网络优化等。同时，伴随着量子算法的理论和应用的进一步发展，量子进化算法等量子智能算法有着更大的发展前景和空间。

参考文献

1.王书浩，龙桂鲁.大数据与量子计算

2.张毅，卢凯，高颖慧.量子算法与量子衍生算法

3.Deutsch D，Jozsa R.Rapid solution of problems by quanturm computation[C]//Proc Roy Soc London A，1992，439：553-558

4.吴楠，宋方敏。量子计算与量子计算机

5.苏晓琴，郭光灿。量子通信与量子计算。量子电子学报，2004，21（6）：706-718

6. White T.Hadoop： The Defintive Guide，California：O’Reilly Media，Inc.2009：12-14

7.王蕴，黄德才，俞攸红.量子计算及量子算法研究进展.

8.孙吉贵，何雨果.量子搜索算法.软件学报，2003，14（3）：334-344

9.龙桂鲁.量子计算算法介绍

10.解光军，范海秋，操礼程.一种量子神经计算网络模型

11.Han KH，Kim J H.Quantum-inspired evolutionary algorithm for a class of combinatorial optimization. IEEE Trans on EvoluntionaryComputation，2002，6（6）：580-593

量子通信范文第2篇

在量子的世界中，对于一个微观的粒子，测量过程本身将不可避免的给我们要测量的物体造成一个显著的扰动，而且即使在原则上，我们也完全没办法把这一扰动减小到零；另一方面，观测行为本身又会破坏粒子原来的状态，让你永远不可能知道粒子本来的状态是什么。这就是量子不可克隆原理：你不能够复制一个未知的量子态，而不改变量子态本身。量子不可克隆原理是量子加密的基础。如果我们把想要保密传输的信息，加载到一个个不可能被准确观测和复制的量子态上，而任何的窃听行为都会改变原本传输的数据。那么最后我们取一部分数据出来，检查原本传输的信息是否被破坏，就能够检测到窃听者是否存在。

整个量子通信中，具有短期内真实的应用潜能的就是量子保密通信，其中最有用的部分就是量子密钥分发。经典通信使用最广泛的公钥密码，是假定一些数学难题，最典型的是假定大型数据分解的数学难题。但是，随着计算能力的不断提高，特别是未来量子计算机如果实现的话，这种数学难题的复杂性就迎刃而解了，换句话说，经典保密通信基于的数学方法不能获得严格的数学证明。在这个背景下，量子保密通信最大的卖点就是它的安全性获得了严格的数学证明，这也可以从其量子力学的基本原理来解释。

量子通信另一个核心内容是隐形传输，是利用了光子等基本粒子的量子纠缠原理来实现保密通信过程。纠缠是一种诡异的超距离相互关联的现象：两个纠缠在一起的粒子，即使被完全隔离，当观测一个粒子的状态时，另一个粒子的状态也会发生瞬时的改变。换言之，两个粒子的量子状态是完全关联的。量子物理让人最不可思议的地方在于，事物的状态并不是唯一确定的。对于宏观的硬币而言，只可能存在两种状态：正面朝上或是反面朝上。但对于一枚量子硬币，它可以既是正面朝上又是反面朝上。对于两枚纠缠在一起的量子硬币，如果发现其中一枚是正面朝上，另一枚也一定是正面朝上；当发现一枚是反面朝上，另一枚也一定是反面朝上；如果发现一枚既是正面朝上又是反面朝上，另外一枚也一定既是正面朝上又是反面朝上。因此，纠缠所包含的关联性，要比我们通常理解的宏观上的关联性强得多。

事实上，纠缠的两个粒子尽管可以在很远的距离上一个影响另一个，但它们无法传递任何信息。以密钥为例，当双方共享同一套密钥时，并没有发生信息的传递，直到加密的文本传来，密钥才有意义。量子通信和传统通信的唯一区别在于，量子通信采用了一种新的密钥生成方式，而且密钥不可能被第三方获取。

向全球的量子通信网迈进

发展量子通信技术的终极目标是构建广域乃至全球范围的绝对安全的量子通信网络体系。通过光纤实现城域量子通信网络连接一个中等城市内部的通信节点、通过量子中继实现邻近两个城市之间的连接、通过卫星与地面站之间的自由空间光子传输和卫星平台的中转实现遥远两个区域之间的连接，是实现全球广域量子通信最理想的路线图。

在这一路线图的指引下，欧洲、美国和中国等在过去几年中均进行了战略性部署，投入了大量的科研资源和开发力量，进行关键技术攻关和实用化、工程化探索，力争在激烈的国际竞争中占据先机。光纤量子密码技术目前正从点对点量子密钥分发的初级阶段向实现多节点网络内的量子安全性方向深入发展阶段，全球各地正在加紧进行量子通信系统的实用化和工程化建设。

由美国国防部高级研究署（DARPA）支持， BBN公司（具有很强的军方特色）技术部联合波斯顿大学与哈佛大学共同开展了量子保密通信与IP 互联网结合的五年试验计划。该计划主要内容是以BBN技术部、波斯顿大学和哈佛大学作为三个节点以构建融合现行光纤通信网、互联网和量子光通信的量子互联网，并在此基础上实现保密通信。

在欧盟的《量子信息处理和通信：欧洲研究现状、愿景与目标战略报告》中给出了欧洲未来五年和十年量子信息的发展目标，例如将重点发展量子中继和卫星量子通信，实现1000公里量级的量子密钥分配。欧洲空间局计划到2018年将国际空间站上的量子通信终端与一个或多个地面站之间建立自由空间量子通信链路，首次演示绝对安全的空间量子密钥全球分发的可行性。欧盟在2008年9月了关于量子密码的商业白皮书，启动量子通信技术标准化研究，并联合了来自12个欧盟国家的41个伙伴小组成立了SECOQC工程。

实用化进程：与经典通信的融合

从目前的实际应用来看，将量子通信网络与现有网络进行融合是最优的发展战略。互联网在设计时并没有深入地考虑安全性，这造成当今的网络安全问题十分突出。量子通信是人类能掌握的最保密的通信技术，量子通信和经典通信网络的融合研究对于提升未来网络的安全性具有重要的意义。

量子通信和经典网络的融合需要解决物理层和组网技术、中继技术和通信应用技术等几个方面的融合问题。对于未来网，应当从基础设施的建设和利用上就考虑和量子通信的融合。由于传统的光通信可能在很长一段时间内仍然是主要通信技术手段，在光通信网络上实现量子通信网络，将是融合的基础。

实际的量子通信中，量子通信与现有通信的融合是一个相互取长补短的过程，量子通信不会完全替代现有的通信技术，而是在现有的技术上在物理层、网络层、应用层将两者进行了融合。

从物理层来说，可以从光源、探测器和信道方面考虑。在光源方面，利用单光子源或者单离子源，或者将激光光源衰减到单光子量级应用到实际工程中；在探测方面，因为是单光子信号源，需要特测器有单光子量级特征，对量子密钥分发中的连续变量进行测量；在信道方面，对于不同的光源用不同波长的商用光纤即可满足条件。

从网络层来说，一方面我们可以采取独立的信道和统一的网络结构，也可以用一根光纤既传递量子信号又传递经典信号；除了光纤技术，还需要采取例如基于纠缠交换的量子中继技术来解决量子通信的远距离传输这一核心问题；此外，在组网的往来上，可以采取电路交换或者波长复用技术，并且增加量子路由器来进行控制。

从应用层来看，我们可以跟现有的互联网安全协议结合，用量子密码来替换现有协议中的初始密码，这样既可以得到更高的安全性也可以保持实际的通信速率。现在实际用到的量子保密分发的方法都是用诱骗态量子密钥分发的方法。而一旦用量子的方法产生密钥，则必须与后继的经典通信结合才能实际应用。比如，我们用量子密码生成种子密钥，然后用经典的方法进行扩张，这样既保证了种子密钥的安全，同时也有很高的通信效率。

量子通信在中国

量子信息因其传输高效和绝对安全等特点，被认为可能是下一代IT技术的支撑性研究，并成为全球物理学研究的前沿与焦点领域。基于我国近10年来在量子纠缠态、纠错、存储等核心领域的系列前沿性突破，中科院于2011年启动了空间科学战略性先导科技专项，力争在2015年左右发射全球首颗“量子通讯卫星”。

中国科学技术大学教授潘建伟、彭承志、陈宇翱等人，与中科院上海技术物理研究所王建宇、光电技术研究所黄永梅等组成联合团队，于2011年10月在青海湖首次成功实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发。实验证明，无论是从地面指向卫星的上行量子隐形传态，还是卫星指向两个地面站的下行双通道量子纠缠分发均可行，为基于卫星的广域量子通信和大尺度量子力学原理检验奠定了技术基础。

如果应用量子通信这项高科技，中国军方能瞬间传送军事信息而又确保万无一失。通过这项保密力度极强的科技的应用，能大幅度提升军队的指挥和控制能力，使得中国在信息战能力方面超越美国。

发射量子通讯卫星早就被中国科学界列为一项核心任务。早在2011年9月，中国科学院院长、党组书记白春礼在谈到中国能否抓住第六次科技机遇时透露，中科院计划在未来十年发射五颗科学卫星，其中，量子通讯卫星的卫星发射将列为重中之重。

由于量子信号的携带者光子在外层空间传播时几乎没有损耗，如果能够在技术上实现纠缠光子再穿透整个大气层后仍然存活并保持其纠缠特性，人们就可以在卫星的帮助下实现全球化的量子通信。这样一来，这种世界上最为保密的通信手段将会覆盖世界任何角落。

在西方眼中，中国未来将要发射的首颗量子通讯卫星将是一颗战略性和科学试验性的卫星。关于这颗卫星，中国科技大学早在三四年前就提出申请，国家2011年批准可发射，目前计划在2015年发射。据中国科技大学内部人员透露，首颗量子通讯卫星属于一颗小卫星，一般的卫星都是几吨重，它只有几百公斤。另外，这枚量子通讯卫星的执行目标很单一，就是用来试验量子通信的相关内容。据了解，将会有专门的机构制造出量子通讯卫星，中科大只是在它上天后利用其做实验。

量子通信范文第3篇

近年来，网络信息安全问题日益加剧了人们的忧虑和关注，传统保密通信技术自身的安全性正面临挑战。量子通信作为能够提供无条件安全性保证的高效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。中国在量子通信领域研发起步早，技术积淀较深，目前已走在世界前列。

5月9日，中国科学院院士、中科大常务副校长潘建伟出席“新未来人工智能论坛”时表示，量子通信卫星将按照原定计划在7月份发射。如果此次卫星成功发射，中国将在全球首次实现卫星和地面之间的量子通信，结合地面已有的光纤量子通信网络，将初步构建广域量子通信体系。

美国媒体认为，中国的量子科学实验卫星（QUESS） 并不仅仅是一个科学实验项目，实际上中国已经成为了全球量子通信技术的领先者，量子科学实验卫星将成为把尖端科技转化为中国在全球范围内战略资产的基石。

据潘建伟介绍，2000公里量子保密通信“京沪干线”也将在今年年底建成。3月17日，我国“十三五”规划纲要正式，“量子通信与量子计算机”被列入国家科技创新2030重大科技项目，未来5年，我国将着力构建量子通信网络。

量子通信是什么

作为与相对论并列的现代物理学基石，量子论是20世纪最伟大的理论之一，但其神奇之处也让很多人“难以理解”。“量子世界像骰子一样难以预测，迄今还没有谁敢说了解它，任何科学探险都不如量子之旅惊险和神奇。”中科院自然科学史研究所研究员董光璧说。

量子有很多奇妙的特性，比如在量子通信中起着重要作用的“量子纠缠”，曾被爱因斯坦等科学家称作“幽灵般的超距离作用”。美国科学家、诺贝尔物理学奖获得者弗兰克・维尔切克曾用《格林童话》中《两兄弟》故事打比方：“量子纠缠”就像一对有“心灵感应”的双胞胎，长得分不清彼此；他们也心灵相通，即便天各一方，弟弟有难，哥哥即刻得知。

目前，量子密钥分发和量子隐形传态都被称为量子通信。量子密钥分发可以建立安全的通信密码，通过一次一密的加密方式实现点对点方式的安全经典通信。

具体做法是用弱相干光源发射光子，因为弱相干光源弱到一定程度，光子是一个一个往外蹦的，以此代替单光子源。把一个信息编码在一个光子上，一个光子有着不同的量子态，代表着0和1，把光子通过光纤发射过去，接收方接到密钥后进行解码。

本质上说，量子密钥分发其实依旧依托于光纤通信，而单光子具有不可分割性是量子密码安全性的物理基础，因而量子密钥分配并非颠覆经典通信，更像是给经典通信增加了一把量子密码锁。

现有的量子密钥分发技术可以实现实验室状态下200公里以上的量子通信，再辅以光开关等技术，还可以实现量子密钥分发网络。目前，开始产业化的是量子密钥分配，而不是量子隐形传态，比如北京到上海的量子通信干线、沪杭量子通信干线、陆家嘴量子通信金融网等都属于量子密钥分配。

量子态隐形传输是基于量子纠缠态的分发与量子联合测量（量子纠缠是指两个量子态具有相干性或处于关联状态，量子纠缠态分发是指制备纠缠粒子对，将不同的粒子对发往不同的地方），在经典通信的辅助下实现量子态的空间转移而又不移动量子态的物理载体。

据潘建伟介绍，量子隐形传态技术具备不可分割、不可克隆的特性，可以抵御窃听密钥的分发，确保通过其加密的内容不可破译。2015年，中科大潘建伟团队在世界上首次实现多个自由度的量子隐形传态，成果被评为国际物理学十大突破之首。“如果我们带着一个保险箱去北京开会，而保险箱的钥匙落在合肥，合肥的同事可以通过量子隐形传态将钥匙每一个特征都精确传送到北京，而在此过程中他并不掌握这把钥匙的任何信息。这在经典世界中是不可想象的。”潘建伟说。由于在该领域的杰出贡献，2016年1月，潘建伟团队的“多光子纠缠及干涉度量”获国家自然科学奖一等奖。

早在1997年，潘建伟团队就在世界上首次实现量子态的传输，也正是他们的探索，促使量子科技更快地应用于通信领域。在新中国成立60周年阅兵、纪念抗战胜利70周年阅兵等关键节点，潘建伟团队构建的量子通信热线均为信息传送提供了重要安全保障。

目前，国内主攻量子通信技术的有潘建伟院士带领的团队和郭光灿院士带领的团队，两个团队在研究量子通信方面呈现你追我赶的架势。中国虽然在量子隐形传态技术上走在世界的前列，但现在仅仅是技术突破，离产业化还比较遥远。而量子密钥分发经过近30年的发展，从理论协议到器件系统初步成熟，目前已有小规模的试点应用和初步产业化趋势。以量子密钥分发为基础的量子保密通信成为未来保障网络信息安全的一种非常有潜力的技术手段，是量子通信领域理论和应用研究的热点。

应用前景有多广

作为保障未来信息社会通信安全的关键技术，未来10年内，量子保密通信有望走向大规模应用，在电子政务、电子商务、电子医疗、国防军事、生物特征传输和智能传输系统等各领域大显身手。

专家预言，随着光量子通信技术的不断发展和完善，该技术将被大量应用于武器装备系统之中，使得战场侦察探测、指挥控制、通信网络、武器控制能力得到全面提升。目前，光量子通信研究已成为各军事大国重点发展的战略性高科技，在军事上有着灿烂前景。

除了国防军事领域，商业应用也用不了多久。潘建伟说，在不久的将来，量子通信就能进入千家万户。希望通过十年左右的努力，将来每个人在互联网上进行的转款、支付等消费行为，都能够享受到量子通信的安全保障。

当然，这还需要其在产业化和广域量子通信网络方面实现进一步突破。郭光灿认为，量子通信极强的保密性是基于量子密钥技术而实现的，密钥也是基于量子的特殊性而研发的，而其他通信方面的技术与传统经典通信差异不大。从目前的实际应用来看，将量子通信网络与现有电子通信网络进行融合是最优的发展战略。

而在构建广域乃至全球范围的量子通信网络体系方面，从各国战略计划看，无论是美国政、企、校联合展开研制的量子互联网，还是欧盟联合12成员国发展的基于量子中继和卫星的自由空间量子通信链路，亦或是日本计划到2040年建成极限容量、无条件安全的量子通信网络，各国誓要抢占量子通信未来制高点的意图已经明朗。

按照计划，2016 年，我国将先于欧美发射全球首颗量子科学实验卫星，2020 年实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发，2030 年建成全球化量子通信网络。

据量子卫星工程常务副总工程师兼卫星总指挥、中科院上海技术物理所王建宇研究员介绍，量子卫星将装载我国自主研发的星地量子通信设备。它能产生并发送光子，地面系统则负责接收。这种“发球、接球”需要解决超高精度的瞄准、捕获和跟踪难题，仿佛在空间尺度下、在穿越大气层后“针尖对麦芒”。

城域、广域，再到天地一体，是中国科学家的规划目标。业内人士介绍，量子科学实验卫星上天后，可以实现高速星地量子通信，连接地面的城域量子通信网络，初步构建我国广域量子通信体系；“京沪干线”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，中间还有合肥、济南等重要节点。其中，2012年建成的合肥城域量子通信网，4 年来运行良好，通信正确率达99.6%，超过目前的移动通信水平。

量子通信应用前景广阔。2月24日，科技部部长万钢在国新办新闻会上表示，我国新的科技计划体系将对面向未来的量子通信等方面基础研究进行重点支持。市场人士认为，中国在量子通信技术研究、产业应用方面处于国际领先地位，未来一旦实现更多技术突破，其市场空间将非常广阔。

中国科学技术大学科技传播与科技政策系副教授褚建勋表示，中国政府正在加快打通科技与经济结合的通道，让科技成果为社会服务，跟市场接轨，解放科技生产力，帮助解决社会问题。“在包括量子通信在内的先进科技成果转移转化的过程中，中国新的经济增长点将越来越清晰地呈现出来。”褚建勋说。

产业化应用起步

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各国政府、学术界与产业界的重视，近年来试点应用和产业化呈现快速发展趋势。

2003年，美国DARPA资助哈佛大学建立了世界首个量子密钥分发实验系统和量子保密通信组网应用。此后，欧美日多国相继建成了瑞士量子、东京QKD和维也纳SECOQC等量子保密通信实验网络，演示和验证了城域组网、量子电话、选举投票保密等方面的应用。2013年，美国独立研究机构Battelle公布了环美量子通信骨干网络项目，计划采用分段量子密钥分发，结合安全授信节点进行密码中继的方式为谷歌、微软、亚马逊等互联网巨头的数据中心之间的通信提供量子安全保障服务。

国内的量子保密通信试点应用起步稍晚但发展迅速。2007年中科大在北京打通了国内首个光纤量子电话，之后相继在北京、济南、安徽芜湖与合肥等地建立了多个城域量子保密通信示范网、金融信息量子保密通信技术验证专线以及关键部门间的量子通信热线。2014年，量子保密通信京沪干线项目通过评审并开始建设，计划建成北京和上海之间，基于安全授信节点密码中继，距离超2000公里的国际首个长距离光纤量子保密通信骨干线路。

量子通信的试点应用催生了一批由科研机构孵化的科技产业实体。其中具有代表性的包括美国MagiQ公司和瑞士IDQ公司等，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。在国内，中科大在量子通信产业化方面表现突出，其衍生与合作建立了安徽量子通信技术有限公司、安徽问天量子科技股份有限公司和山东量子科学技术研究院有限公司，进行量子保密通信前沿研究成果向应用技术和商用化产品的转化，国家对于量子通信的专项投入和政策扶持为其快速发展注入了强劲动力。

由于安全高效的特性，量子通信在国防、保密、金融等领域有着巨大需求。兴业证券分析师指出，以国防领域为例，量子通信可以应用于通信密钥生成与分发系统，构成作战区域内机动的安全通信网络，能用于改进光网信息传输保密性，由此提高信息保护和信息对抗能力，也能应用于深海安全通信领域，为远洋深海安全通信开辟新途径。

2015年10月，浙江神州量子网络科技有限公司宣布投入1.7亿元，建设“杭沪量子商用干线”。这是国内首条量子通信商用干线，建成后可实现沪杭区域内政府、企业、金融机构等通信数据的加密传输。

在金融领域，工商银行已成功应用量子通信技术实现其北京分行电子档案信息在同城间的加密传输。这也是量子通信技术在国内银行业的首次成功应用。工商银行相关负责人表示，为进一步提升信息安全水平，工行联合中国科学技术大学实施了“量子保密通信京沪干线技术验证及应用示范项目”，同时开展北京、上海同城及京沪异地千公里级量子通信金融应用落地工作。

阿里巴巴旗下阿里云与中科院旗下国盾量子于2015年10月联合了量子加密通信产品。这也是量子安全通信产品首次落地公共云领域。中信证券分析师陈剑指出，这标志着“云+量”作为基础设置与服务开始面向更广泛领域进行应用。

作为通信技术的未来演进方向，量子通信业终将进入广域网、城域网等公网市场。据陈剑测算，预计2020年国内量子通信市场规模将达210亿元。其中，专网市场105亿元，公网75亿元，其他领域30亿元；预计2020年国内量子通信设备领域市场规模为30亿元，建设运维领域规模为30亿元，运营市场规模将达150亿元。

诱人的市场前景吸引了众多参与者，量子通信产业链生态正在逐渐形成。以三力士为例，公司拟出资6000万元，设立山西三力士量子通信网络有限公司，推动量子保密通信网、云计算等战略新兴产业的落地和产业化。

2015年7月，中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室宣布成立。该实验室结合阿里巴巴在计算算法、架构和云计算方面的技术优势，以及中科院在量子计算和模拟、量子人工智能等方面的优势，探索下一代超快计算技术。

此外，中科院牵头，联合中科大、科大国盾量子技术股份有限公司、阿里巴巴（中国）有限公司、中国铁路网络有限公司、中兴通讯股份有限公司、北方信息技术研究所等单位发起成立了中国量子通信产业联盟。

陈剑指出，量子通信产业链主要包括元器件、设备、建设运维、运营应用四个环节。其中，元器件方面大部分与传统通信所使用的没有太大的差异。但核心器件，如单光子探测器仍主要依赖进口，近距离设备国产可大致代替进口，而长距离设备需要一年或更长时间实现进口替代。

中游核心设备包括量子网关和量子交换机，国内的科大国盾掌握了部分核心技术；问天量子等机构也在参与其中，研发量子通信核心设备，推动产业发展。

随着更多城际干线启动，将引入更多商业化运作，带动量子通信网络建设和运营需求。这需要在现有光通信网络中添加相关设备，开辟单独的通道以确保信号稳定性等。这些工作通常由网络建设和系统集成商承担。

量子通信范文第4篇

不过，走出地球，却是一个广袤无际的宇宙空间。到那里去探索，去寻找地球的知音，以及到其他星球上去定居，一直是牵动人类思绪的美好梦想。在宇宙空间，各天体之间的距离是以光年来计量的。如果我们的宇宙飞船到达距地球只有1光年的某个星球，利用现有的通信手段，那它与我们之间的通信也会有两年的时延。何况，宇宙空间离地球几千、几万光年的天体比比皆是。与它们之间若以光速进行通信，那真是等白了头也难觅回音。

所幸的是，一种被称为量子通信的新的通信方式也初露端倪。它是一种不受通信双方空间距离限制、不存在任何传输时延的真正意义上的实时通信，因此，它可望承担起未来宇宙通信的使命。那么，什么是量子通信呢?

简单地说，量子通信就是根据量子力学关于相互耦合的微观粒子(如电子、光子等)之间存在的超光速关联来实现信息的传递。量子力学指出，如果我们对相互耦合的一对粒子中的一个粒子进行测量，另一个粒子将会瞬时“感应”到这种影响，并发生相应的变化，而不管这两个粒子间相隔有多远。上述这种微观粒子间的超光速关联和影响叫做“缠结”，它是一种具有交互作用的粒子之间通过“感应”而建立的神奇连接。这种连接是实现超光速通信的主要依据。量子通信的优点很多，首先便是它的零时延。正是由于这个特性，它可望应用于未来的星际通信；其次是它可以不通过双方之间的空间进行，这就避免了环境对通信的干扰；第三，是保密性强。因为信息载体可以只保存在收发信息的双方，使与此项通信无关的第三者无法干扰和窃听。此外，它还是一种环保型通信，不会产生电磁污染。

量子通信系统由量子态发生器、量子通道和量子测量装置组成。按其所传送的信息是经典还是量子而分为两类。前者主要用于量子密钥的传输，后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。隐形传态是一种脱离实物的信息传送，它的过程是光提取原物的所有信息，然后将这些信息传送到接收地点，接收者再根据这些信息选取与构成原物相同的基本单元，制造出原物完美的复制品。但是，量子力学的不确定性原理不允许精确地提取原物的全部信息，这个复制品不可能是完美的。因此“隐形传送”不过是一种幻想而已。

1993年，6位来自不同国家的科学家，提出了利用经典力学与量子力学相结合的方法来实现量子隐形传态的方案：将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方，把另一个粒子制备到该量子态上，而原来的粒子仍留在原处。其基本思想是：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子测量而获得，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息；接收者在获得这两种信息后，就可以制备出原物量子态的完全复制品。该过程中传送的仅仅是原物的量子态，而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的粒子处于原物的量子态上。在这个方案中，纠缠态的非定域性起着重要的作用。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关联。量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义，而且可以用量子态作为信息载体，通过量子态的传送完成大容量信息的传输，实现原则上不可破译的量子保密通信。

量子通信范文第5篇

量子是现代物理的重要概念，与经典物理有根本的区别，提供了全新的原理和思考方式。量子具有不确定性和不可测量性，量子的世界不遵循经典物理学定律，因此人们对量子世界的探索存在很多困y。通过科学家的不断探索，在量子信息研究领域有了许多的突破，其中产生了量子通信这一新兴技术。目前量子通信主要有两种应用，一种是较为成熟的量子密码通信，一种是量子隐形传送。2012年度诺贝尔物理学奖，法国科学家塞尔日・阿罗什与美国科学家大卫・维因兰德实现了对单个原子的测量和控制，阿罗什的工作是打造出一个微波腔，借助单个原子在微波腔中会辐射或吸收单个光子的特性，实现了操纵单个光子。而维因兰德则制造出了一个离子阱，先用光来俘获离子，然后用激光冷却离子，进而对离子进行测量和控制。量子计算和精密测量有了变成现实的可能性。

二、量子纠缠

Hilbert空间是欧几里德空间的一个推广，不再局限于有限维，是一个完备的空间，其上所有的柯西序列等价于收敛序列，从而微积分中的大部分概念都可以无障碍地推广到Hilbert空间中。能用Hilbert空间中的一个矢量表示的量子系统称为纯态，反之，如果不是处于确定的态而是以某一种几率分布的，称之为混合态。通常量子比特表示为：|Ψ〉=α|0〉+β|1〉，|α|2+|β|2=1（叠加态形式）。两个纯态|Ψ1〉和|Ψ2〉的线性叠加所描述的量子态|Ψ〉=c1|Ψ1〉+c2|Ψ2〉对应Hilbert空间的一个矢量，也是一个纯态。经过测量的量子态会坍缩到|0〉或|1〉，这个过程是不可逆的。这是二维Hilbert空间中量子态的描述，类似于三维球面上的一个点。在具有n个量子态的系统中，状态空间由2n个基向量组成。在未对系统进行操作之前，量子态可能为2n中的一个，与经典存储系统相比，量子系统能在某一时刻保持2n个状态，因此量子系统具有更大的计算潜力。爱因斯坦不愿承认并称之为“幽灵般的超距作用（spooky action at a distance）”的量子纠缠，指两个相互独立的粒子可以相互影响，对其中一个粒子进行观测可以即时地影响到其它粒子，无论它们之间的距离有多远。量子纠缠描述了量子子系统相互影响的现象，对一个子系统的测量瞬间影响了其他子系统的状态。一个由|ΨA〉和|ΨB〉两个子系统组成的复合系统|Ψ〉，如果可以表示为|ΨA〉×|ΨB〉，则|Ψ〉处于直积态，否则处于纠缠态。常见的纠缠态有：两个粒子构成的bell基，三个粒子构成的GHZ态等。二粒子纯态纠缠的研究最为完善，bell态是量子通信中最基本的纠缠资源。处于bell态的两个纠缠粒子称为EPR对。四维Hilbert空间中的正交完备基称为bell基。在量子通信中，最常用的测量方法是bell基测量。

三、量子纠缠的应用

目前量子通信的两种主要方式：量子密码通信和隐形传送。量子密码或量子密钥分配是利用了观测一般会干扰被观测系统的量子力学原理来实现的。量子的不可分割性和量子态的不可复制性保证了信息的不可窃听和破解，进而实现根本上、永久性解决信息安全问题的目标。量子隐形传态需建立在经典物理信道的基础上才能实现。在研究量子领域早期，人们最感兴趣的一个问题是能否利用量子纠缠实现超光速通信，这个问题的答案是否定的，原因在于量子的不可克隆性，仅依靠量子纠缠系统无法传递具体信息，要将原量子态的全部信息提取出来，需分别根据其经典信息和量子信息来构造，因此无法实现瞬间传输。量子隐形传态利用量子纠缠态作为通道， 利用量子作为载体， 把信息从一个地方传递到另一个地方。量子隐形传态的任务可以简单地描述为：假设存在一对共享的量子比特为 A、B，利用A、B来传送量子态C。将A、B分别置于系统的两端，现将量子比特A和C作幺正变换，测量后得到两个经典量子比特的信息，在这个过程中两个量子比特被破坏。量子比特B现在包含了关于C的信息，但观测者仍无法得到C的任何信息，量子比特B处于四个任意的量子态之一。现在需通过经典通信通道将A的测量结果发送到B端，根据A的测量结果，对B作相应的幺正变换， 此时量子比特B的状态变为C，实现了量子态的传送。

四、量子通信技术的发展现状

理想量子通信与传统通信相比，有着安全、无障碍通信等优势，但目前仍难以实现，量子测量、量子态的控制仍在不断完善，基于纠缠的量子隐形传态方式仍处在实验室阶段。2012年6月，潘建伟团队在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，为发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定了技术基础。2016年8月16日，中国国成功发射全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”，标志着中国在量子通信领域又迈出重要一步。“墨子号”的主要科学目标是借助卫星平台，进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破。并在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。量子技术的迅速发展，预示着量子科技的无线前景，将给人类生活和生产带来革命性的成果，对国防、对经济有着重要影响。因此，我们应加快量子通信技术实用化进程，在国际技术竞争中占据有利地位。

参 考 文 献

[1] 《量子安全通信与量子信道理论有关问题的研究》王敏杰

[2] 《量子纠缠技术与量子通信》1007-9416（2012）10-0060-01舒娜 石际

[3] 《量子态的可分性与量子纠缠度量》黎小胜

量子通信范文第6篇

【关键词】量子;通信;技术;发展

对量子信息进行研究是将量子力学作为研究基础，根据量子并行、纠缠以及不可克隆特性，探索量子编码、计算、传输的可能性，以新途径、思路、概念打破原有的芯片极限。从本质来说：量子信息是在量子物理观念上引发的效应。它的优势完全来源于量子并行，量子纠缠中的相干叠加为量子通讯提供了依据，量子密码更多的取决于波包塌缩。理论上，量子通信能够实现通信过程，最初是通过光纤实现的，由于光纤会受到自身与地理条件限制，不能实现远距离通信，所以不利于全球化。到1993年，隐形传输方式被提出，通过创建脱离实物的量子通信，用量子态进行信息传输，这就是原则上不能破译的技术。但是，我们应该看到，受环境噪声影响，量子纠缠会随着传输距离的拉长效果变差。

一、量子通信技术

（一）量子通信定义

到目前为止，量子通信依然没有准确的定义。从物力角度来看，它可以被理解为物力权限下，通过量子效应进行性能较高的通信;从信息学来看，量子通信是在量子力学原理以及量子隐形传输中的特有属性，或者利用量子测量完成信息传输的过程。

从量子基本理论来看，量子态是质子、中子、原子等粒子的具体状态，可以代表粒子旋转、能量、磁场和物理特性，它包含量子测不准原理和量子纠缠，同时也是现代物理学的重点。量子纠缠是来源一致的一对微观粒子在量子力学中的纠缠关系，同时这也是通过量子进行密码传递的基础。Heisenberg测不准原理作为力学基本原理，是同一时刻用相同精度对量子动量以及位置的测量，但是只能精确测定其中的一样结果。

（二）量子通信原理

量子通信素来具有速度快、容量大、保密性好等特征，它的过程就是量子力学原理的展现。从最典型的通信系统来说具体包含：量子态、量子测量容器与通道，拥有量子效应的有：原子、电子、光子等，它们都可以作为量子通信的信号。在这过程中，由于光信号拥有一定的传输性，所以常说的量子通信都是量子光通信。分发单光子作为实施量子通信空间的依据，利用空间技术能够实现空间量子的全球化通信，并且克服空间链路造成的距离局限。

利用纠缠量子中的隐形量子传输技术作为未来量子通信的核心，它的工作原理是：利用量子力学，由两个光子构成纠缠光子，不管它们在宇宙中距离多远，都不能分割状态。如果只是单独测量一个光子情况，可能会得到完全随机的测量结果;如果利用海森堡的测不准原理进行测量，只要测量一个光子状态，纵使它已经发生变化，另一个光子也会出现类似的变化，也就是塌缩。根据这一研究成果，Alice利用随机比特，随机转换已有的量子传输状态，在多次传输中，接受者利用量子信道接收;在对每个光子进行测量时，同时也随机改变了自己的基，一旦两人的基一样，一对互补随机数也就产生。如果此时窃听者窃听，就会破坏纠缠光子对，Alice与Bob也就发觉，所以运用这种方式进行通信是安全的。

（三）量子密码技术

从Heisenberg测不准原理我们可以知道，窃听不可能得到有效信息，与此同时，窃听量子信号也将会留下痕迹，让通信方察觉。密码技术通过这一原理判别是否存在有人窃取密码信息，保障密码安全。而密钥分配的基本原理则来源于偏振，在任意时刻，光子的偏振方向都拥有一定的随机性，所以需要在纠缠光子间分设偏振片。如果光子偏振片与偏振方向夹角较小时，通过滤光器偏振的几率很大，反之偏小。尤其是夹角为90度时，概率为0;夹角为45度时，概率是0.5，夹角是0度时，概率就是1;然后利用公开渠道告诉对方旋转方式，将检测到的光子标记为1，没有检测到的填写0，而双方都能记录的二进制数列就是密码。对于半路监听的情况，在设置偏振片的同时，偏振方向的改变，这样就会让接受者与发送者数列出现差距。

（四）量子通信的安全性

从典型的数字通信来说：对信息逐比特，并且完全加密保护，这才是实质上的安全通信。但是它不能完全保障信息安全，在长度有限的密文理论中，经不住穷举法影响。同时，伪随机码的周期性，在重复使用密钥时，理论上能够被解码，只是周期越长，解码破译难度就会越大。如果将长度有限的随机码视为密钥，长期使用虽然也会具有周期特征，但是不能确保安全性。

从传统的通信保密系统来看，使用的是线路加密与终端加密整合的方式对其保护。电话保密网，是在话音终端上利用信息通信进行加密保护，而工作密钥则是伪随机码。

二、量子通信应用与发展

和传统通信相比，量子通信具有很多优势，它具有良好的抗干扰能力，并且不需要传统信道，量子密码安全性很高，一般不能被破译，线路时延接近0，所以具有很快的传输速度。目前，量子通信已经引起很多军方和国家政府的关注。因为它能建立起无法破译的系统，所以一直是日本、欧盟、美国科研机构发展与研究的内容。

在城域通信分发与生成系统中，通过互联量子路由器，不仅能为任意量子密码机构成量子密码，还能为成对通信保密机利用，它既能用于逐比特加密，也能非实时应用。在严格的专网安全通信中，通过以量子分发系统和密钥为支撑，在城域范畴，任何两个用户都能实现逐比特密钥量子加密通信，最后形成安全性有保障的通信系统。在广域高的通信网络中，受传输信道中的长度限制，它不可能直接创建出广域的通信网络。如果分段利用量子密钥进行实时加密，就能形成安全级别较高的广域通信。它的缺点是，不能全程端与端的加密，加密节点信息需要落地，所以存在安全隐患。目前，随着空间光信道量子通信的成熟，在天基平台建立好后，就能实施范围覆盖，从而拓展量子信道传输。在这过程中，一旦量子中继与存储取得突破，就能进一步拉长量子信道的输送距离，并且运用到更宽的领域。例如：在潜安全系统中，深海潜艇与岸基指挥一直是公认的世界难题，只有运用甚长波进行系统通信，才能实现几百米水下通信，如果只是使用传统的加密方式，很难保障安全性，而利用量子隐形和存储将成为开辟潜通的新途径。

三、结束语

量子技术的应用与发展，作为现代科学与物理学的进步标志之一，它对人类发展以及科学建设都具有重要作用。因此，在实际工作中，必须充分利用通信技术，整合国内外发展经验，从各方面推进量子通信技术发展。

参考文献

[1]徐启建，金鑫，徐晓帆等.量子通信技术发展现状及应用前景分析[J].中国电子科学研究院学报，2009，4（5）：491-497.

[2]徐兵杰，刘文林，毛钧庆等.量子通信技术发展现状及面临的问题研究[J].通信技术，2014（5）：463-468.

量子通信范文第7篇

关键词：量子通信 量子纠缠 隔空传物

中图分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）10-0060-01

1、概论

量子技术于上个世纪八十年代诞生并在二十世纪末在国际学术界引起了巨大兴趣和高度重视。以量子纠缠为原理的量子信息技术突破了现有信息技术的物理极限，在通信科学领域中提供新的原理和方法。二十一世纪信息科学将从“经典”时代跨越到“量子”时代，其发展将对国民经济军事、国防安全等都有着直接而重大的影响，各国都将量子技术作为重大战略点投入并发展。

2、量子纠缠技术

量子纠缠是一种存在于多种量子系统中的一种子系统。从测量学的角度分析，量子纠缠的结果无法独立于单独的系统且必定联系其他系统的参数。通常，一个量子是无法产生纠缠态的，至少要有两个量子位。假设由C和D构成一个复合系统，如果其量子态不能表示为该系统的纠缠态，则此复合系统的波函数不能表示为该子系统的直积：

常见的纠缠态有：两个粒子构成的贝尔基，它两两相交且具有最大的纠缠态；三个粒子构成的GHZ纠缠态等。

量子纠缠的实质是一种微观的多系统之间的一种非定域的关联，它是传递量子信息的通道，这也是用于实现量子通信的基础。

3、量子通信技术

量子通信是以量子纠缠技术作为基础，通过量子纠缠所产生的连锁效应来实现信息传递的一种新型的通信方式。量子通信结合了量子论和信息论，主要应用于量子密码通信，远程传态等。

量子通信的信息单位称为量子比特（qubit），它是两种逻辑态的叠加。在量子通信中，我们用量子态来表示信息，信息传递和信息处理中遇到的问题都采用量子理论来处理，其中，信息的传输是利用量子态在量子通道中的传送，信息的处理和计算是利用量子态的幺正变换，信息的提取是对量子系统进行测量。

我们看到，信息一旦量子化，则量子力学便成为了实现量子通信的物理基础，量子具有如下特性：

（1）量子的纠缠性。

（2）量子的不可克隆性。

（3）量子的叠加性和相干性。

在量子通信系统中，两个共享信息的人必须共享两个几乎一致的成对的量子（如光子），当其中一个量子携带了信息，则此信息会消失或者重现在另一个光子上，以此实现“不加外力”方式传输信息。所谓的“不加外力”传输是指信息在一个地方消失，又能在另一个地方重现的过程。由于报文是一种“不加外力”方式传输信息，因此，量子通信中的发信者与收信者利用报文方式传输所共享的量子的数量取决于发送报文本身的长度。由于量子只能成对产生且只能在一对发送者和接受者之间进行传输，所以量子通信网络也只能是一个链路一个链路地建立。

量子通信的特点在于量子通信中的信息传递可以不通过通信双方之间的空间，从而使得通信不会受到空间环境的制约与影响；量子通信的传输线路时延可以为0，是最快的通信方式；量子通信中，第三方是无法进行干扰和窃听。信息的载体—量子，是完全只保存在通信双方处；量子通信不存在任何电磁辐射污染，属于环保型新技术。

4、量子通信前沿

量子通信的实现方式通常有两种：

（1）利用量子耦合技术，制造出多粒子的量子耦合态。

（2）利用生物技术，建立意识生物的意识器官之间的某种量子耦合。

今年五月，中国科学院成功实现了远距离量子通信隐态传输。量子的运动不遵循中学学过的牛顿定律和麦克斯韦电磁定律，也不遵循描述宏观物体运动规律的相对论。量子通信最突出的是不能同时满足实在性和定域性。由于量子处于所有可能状态的叠加态，当你以不同方式观测它时，它才明确呈现出特定的状态，呈现何种状态与观测者和观测方式有关。其实现量子通信隐态传输原理如下：第一，把相干的两个量子A和B分别传送到信息的发端和收端；第二，另取一个量子C（这个C就是要被传输的东西），在发端对A和C做某种联合测量；第三，通过经典信道（比如打电话、发邮件等）把联合测量A与C的结果告知B；第四，收端在得知A与C联合测量的结果之后，做某种运算（或测量），运算之后B的状态与C在测量之前的状态就一致了（在发端对A和C进行测量的瞬间，由于A和B是相干的，B的状态也受到了某种程度的影响，这种影响，是C的初始状态可以在B上还原的根本原因）。到此为止，量子C在发端消失了（对量子的测量会导致量子状态的变化，从这个意义上讲，测量之后的C已经不是原来的C了），它又出现在收端（收端量子B的状态与原来C的状态相同，从这个意义上讲，C在收端重现了）。具体到物体从某地消失，瞬间又出现在另外的地方，从上面的解释可以知道，单从物理原理上说是可能的。更严格的说法是物体在某地被销毁，然后在另一地用相同的原料被重构。

与现在的通信方式相比，量子通信最大的特点是信道资源不再是瓶颈，甚至不再是有限的，量子信道的容量无限大，量子态传输的速度无限快，而且量子态的传输无法拦截，因而是绝对安全的。

参考文献

[1]张镇九等.量子计算与通信加密[M].华中师范大学出版社，2003.

量子通信范文第8篇

量子力学诞生于1926年，是人类对微观世界加以认识的理论基础之一。量子力学和相对论之间的不相容性在1935年被爱因斯坦、波多尔基斯和罗森论证后，约翰•贝尔于1964年提出贝尔理论，，阿斯派克等人于1982年证明了超光速响应的存在。1989年第一次演示成功量子密钥传输，1997年量子态隐形传输的原理性实验验证由奥地利蔡林格小组在室内首次完成，2004年，该小组又将量子态隐形传输距离成功提高到600米。2007年开始我国架设了长达16公里的自由空间量子信道，于2009年成功实现世界上量子隐形传态的最远距离。

二、量子通信技术的发展趋势

量子通信技术的研究方向除了包括量子隐形传态还包括量子安全直接通信等，突破了现有信息技术，引起了学术界和社会的高度重视。与传统通信技术相比，量子通信除具有超强抗干扰能力外且不需对传统信道进行借助；与此同时量子通信的密码被破译的可能性几乎没有，具有较强的保密性；另外，量子通信几乎不存在线路时延，传输速度很快。量子通信发展仅仅经历了20年左右，但其发展却十分迅猛，目前已经被很多国家和军方给予高度关注。

量子通信在国防和军事上具有广阔的应用前景，作为量子技术的最大特征，量子技术的安全性是传统加密通信所无可企及的。量子通信技术的超强保密性，能够有效保证己方军事密件和军事行动不被敌方破译及侦析，在国防和军事领域显示出无与伦比的魅力。另一方面，在破解复杂的加密算法上，也许现有计算机可能需要好几万年的时间，在现实中是完全无法接受且几乎没有实用价值的。但量子计算机却能在几分钟内将加密算法破解，如果未来这种技术被投入实用，传统的数学密码体制将处于危险之中，而量子通信技术则能能够抵御这种破解和威胁。

在民间通信领域量子通信技术的应用前景也同样广阔。中国科技大学在2009年对界上首个5节点的全通型量子通信网络进行组建后，使得实时语音量子保密通信被首次实现，城市范围的安全量子通信网络在这种“城域量子通信网络”基础上成为了现实。

三、总结

各国正是瞅准了量子通信技术的无限应用前景，纷纷加大对量子通信技术方面的投入力度。在未来的量子通信技术还应注意一些关键性的问题，如单光子源成本的降低、通信传输距离的加大以及检测概率的增强等，都仍需要进一步的研究。

量子通信范文第9篇

关键词：量子；纠缠态；量子密码；金钥分配；量子通信

中图分类号：TN918文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 04-0000-03

Concerning on the Quantum Cryptography and Communication

Tang Yonglong

(Jishou University,Information Management and Engineering Institute,Zhangjiajie427000,China)

Abstract:Expounds the quantum cryptography and quantum communication work principle,discusses the most wondrous quantum entanglement and quantum key distribution principle,research the quantum cryptography and quantum communication development history,discussed the quantum cryptography and quantum communication brilliant future

Keywords:Quantum;Entangled state;Quantum cryptography;QKD;Quantum communication

一、引言

随着计算机和计算机网络技术的飞速发展，人们越来越多地依赖网络进行工作和生活，电子商务、电子政务、电子金融、网络通讯、网络电视等基本上已经应用到社会的各个角落，当然有些信息是敏感和保密的信息，于是需要对敏感和保密信息进行保护，以免被窃取或篡改，这就是密码学[1]的任务。以前用的“经典密码”[2]和现在用的“公钥加密”[3]都是建立在非常难计算的一个数学难题上的，因此在未来几年甚至更久，密钥的安全性仍然很高。不过随着科学技术的和计算机计算速度不断的发展，人们在不断提高破译密码的能力，特别是对速度快得惊人的未来的量子计算机来说，破解现代密码技术轻而易举。于是一种更加安全的全新的密码学――量子密码学（Quantum Cryptography）应运而生。

二、量子密码

（一）理论基础

量子密码学是传统密码学与量子力学相结合的产物，这种加密方法是用量子状态来作为传送信息加密和解密的密钥。量子力学中量子的非常好的独有特性是量子密码安全性的理论基础和基本保证。量子密码的理论基础是“海森堡（Heisenberg）测不准原理”和“单量子不可复制定理”[4]。Heisenberg原理指出不可能在同一时刻以相同精确度测定量子的位置和动量，最多只能精确测定其中之一。“单量子不可复制定理”是“海森堡测不准原理”的一个推论，它是说不可能在不知道量子状态的情况下复制单个量子，原因是要想复制单个量子就只能先作测量，而测量必然改变量子的状态，而一个微小的改变就测不准量子的状态了，也不能复制了。目前主要有三大类量子密码实现方案：一是基于单光子量子信道中海森堡测不准原理的量子密码方案；二是基于量子相关信道中Bell原理的量子密码方案；三是基于两个非正交量子态性质的量子密码方案[5]。“量子密码”是利用质子的极化方式编排密码。质子能以四种方式极化；水平的和垂直的，而且互为一组，两条对角线的也是互为一组。用一个特定的二进制位（0或1）来表示两个不同的初始值。我们也可以假设这个键值传输的光子流是在一个方向上，用单个的数据位0或1来表示每一个光子微粒。光子除了直线运动外，还可以以某种方式沿任意方向轴在360度的空间进行振动。在量子密码系统中把这些振动状态分为4组模式：上、下振动模式；左、右振动模式；左上、右下振动模式、右上、左下振动模式，振动角度就沿光子的两极。“量子态”我们一般用符号“｜•”来表示。规定一个二维量子态就是一个量子比特，由“态叠加原理”知道：两个量子计算基态｜0和｜1的任意线性叠加变成一个量子比特。“量子纠缠”是量子力学最奇妙的性质。如果沿某方向Alice测量自己的光粒子，以1／2的概率得到1，1／2的概率得到0，即她的测量结果将是完全随机的，但如果此时Bob也沿相同的方向测量自己的光粒子，他一定会得到与A1ice相反的结果。即不管他们相距多远，由爱因斯坦所说的神秘的“超距”现象。Alice的测量结果都会使得Bob的粒子态唯一确定。利用这一现象，科学家们首先发现了量子远程传态，即通信双方可以利用一对共享的纠缠态（tangled state）瞬间传送一个任意量子态。纠缠还有一个非常有趣的性质就是纠缠交换，它是指当对不同纠缠态中的部分粒子做联合测量时，会使得其余粒子也纠缠在一起。

（二）工作原理

第一种方法[6]：直线模式：光子的偏振方向是垂直或平行；对角模式：光子的偏振方向呈45度角。两种模式中，光子的不同指向分别代表0或1这两个数字。要在两端传递量子密钥，其中一种方法就是以激光发出单一光子，光子会以两种模式中的其中一种偏振。密钥发送者Alice完全随机地以直线或对角模式送出光子，发射出一串位0或1。接收者Bob，他也随机决定以两种模式之一来测量射入的光子。根据海森堡的测不准原理，他只能以一种模式来测量位，而不能用两种。如果Bob所使用的测量方法和Alice相同，那么他会得到Alice所送的值，传送密钥就成功了；如果Bob所使用的测量方法与Alice的不同，所得到的值就不一定和Alice的相同，应该放弃该位，这样循环往复的操作。全部具体步骤为：.Alice任选一个state，basis=s，b，然后传送该光子给Bob；Bob任选一个测量方法b’来测量传送来的光子；Alice和Bob同时宣布他们所用的测量方法b和b’（而不是测量的结果）；如果b=b’，则和Bob共有一个值；如果b≠b’，则放弃这一位。如此多次重复循环上述步骤，就可以得到一个n位的共同密钥K，可以用来对信息加密或解密。

再来看窃听者Ever，如果Ever想拦截这道光子流，由海森堡测不准原理，她无法同时两种模式都测。如果她以错误的模式进行测量，她将该位依照测到的结果重传给Bob，都一定会有1/2机会出错。即使Ever测量正确，Alice和Bob可以随机选择一些位进行比较，若发现比较值不一致，就可以知道Eve进行了截取，再重新传送新的密钥；如果比较值双方一致，就可以认为密钥是绝对安全的。舍弃这些用于比较的位后，就得到了安全密钥了。

第二种方法[6]：Bob先准备一对光子，或者是一对在纠缠态相同的自转粒子，然后储存其中一个粒子，并将另外一个传送至Alice。Alice在收到的粒子上执行如下的操作：操作A：不动半自转的粒子；操作B：沿着x，y或z以180度做自旋，对光子来说，做与偏极值一致的旋转。这些操作，虽然只对其中一个粒子执行，却会影响两个联合粒子的量子状态。Alice传回粒子与Bob，Bob可以共同测量传回的粒子与储存的粒子，从而判定Alice使用了四种操作中的那一种操作，也即代表了两比特数据的0和1组合。如此一来，这个技术有效的加倍了信息频道的最高容量。窃听者Eve将必须侦测粒子以读取信号，这样侦测其中一个粒子的动作将会破坏另外一个粒子的量子关联性，发送双方都可以知道是否有窃听者的存在。

（三）应用发展

1970年美国科学家Stephen Wiesner最早利用单量子态制造不可伪造的“电子钞票”。但这个设想的实现需要长时间保存单量子态，所以当时并没有受到应有的注意，直到1983年他才敢发表了这个结果。Charles H.Bennett和Gilles Brassard最早就认识到这个结果的重要性，他们发现：单量子态虽然不好保存但可用于传输信息。于是在1984年提出首个量子密钥分配的方法――BB84方案，由此迎来了量子密码的新时代。5年后，他们在实验室里进行了第一次实验，成功地把一系列光子从一台计算机传送到相距32CM的另一台计算机，实现了世界上最安全的量子密钥传送。1992年，贝内特又提出一种更简单但效率减半的方案――B92方案。后来各国密码学家纷纷加入到相关的研究中来，量子密码技术得以迅猛发展。英国国防部于1993年在光纤中实现了基于BB84方案的相位编码量子密钥分发，光纤传输长度为10公里。后经多方改进，距离达到30公里。瑞士日内瓦大学也在1993年提出了基于BB84方案的偏振编码方案，将1.3微米波长的光子在1.1公里长的光纤中成功传输，误码率仅为0.54%，并于1995年在日内瓦湖底铺设的23公里长的民用光通信光缆中进行了实地表演，误码率为3.4%。两年后，他们又利用“法拉第镜”消除了光纤中的双折射等影响因素，使得系统的稳定性和使用的方便性得到很大的提升。2010年，由中国科技大学教授郭光灿院士领导的课题小组，成功实现了150公里的室内量子密钥分配，并利用中国网通公司的实际通信光缆，实现了从北京经河北香河到天津的量子密钥分配，实际光缆长度125公里，系统的长期误码率低于6%。这是迄今为止国际公开的最长距离的实用光纤量子密码系统。

在空气中的实验也取得了很大成果，2002年，德国慕尼黑大学和英国军方的研究机构合作，在德国和奥地利边境相距23.4公里的楚格峰和卡尔文德尔峰之间用激光成功传输了光子密钥，并希望使用较大的望远镜来侦测、用较佳的滤镜以及抗反射镀膜等技术来改进这套密钥收发系统，希望距离达到500至1000公里，进而建立一个密码传输网络。

密码专家希望最终能够发展出某种形式的量子中继器（quantum repeater），可以克服距离的限制。2003年，中国科技大学潘建伟博士领导的实验室成功实现了量子纠缠态的浓缩，并利用这一技术实现了四光子纠缠光源的量子中继器。同年，瑞士日内瓦的id Quantique公司以及美国纽约市的神奇量子科技公司（MagiQ），都发表了可以传送量子密钥的商品。2004年世界上第一个量子密码通信网络在美国马萨诸塞州剑桥城正式投入运行，系统连接六个网络节点，涵盖剑桥城的哈佛大学、波士顿大学，以及BBN科技公司。2004年秋天，日内瓦的因特网服务供应商Deckpoint与id Quantique共同展示了一个网络，可以将日内瓦内的好几个服务器数据备份到10公里外的站台，并通过量子加密网络，频繁地发送新钥匙。

另外一个难题则是在量子信息不能测量、测量就会被破坏的前提下，网络在传输中如何自动找到特定的路径，将信息完整准确地传送给对方。最近郭光灿的研究小组巧妙利用波分复用技术，设计出国际上第一个量子路由器，解决了量子信息自动寻址难题，使量子网络中任意一个用户都能自由选定网内任意用户与其实现量子密码通信。此课题组在北京网通公司的商用光纤线路上进行多用户测试。用户之间最短距离约32km，最长约42.6km。测试系统成功演示了一对三和任意两点互通的量子密钥分配，并在对原始密钥进行纠错和提纯基础上，完成了加密的多媒体通信实验。

三、量子网络

量子通讯的钥匙就是量子纠缠。量子纠缠描述了这样一个类似人们生活中“心灵感应”的神奇现象[7]：两个无论相隔多远位于宇宙空间中的两边的微观粒子，只要这两个粒子彼此处于量子纠缠，就可以通过改变一个粒子的量子状态来改变另一个粒子状态，信号超越了时空的阻隔，直接送达了另一个粒子那里。就像两个相距遥远的人有一根无形的线绳牵着他们不约而同地想去做同一件事，这种神奇的超越通讯方式的量子理论激起了量子科学家们的极大兴趣，因为量子网络要比现在的互联网快千万倍。

量子网络是一种遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置和网络。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子网络。量子网络的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。将一个粒子的量子信息发向远处的另一个纠缠粒子，该粒子在接收到这些信息后，会成为原粒子的复制品。一个粒子可以传递有限的信息，而亿万个粒子联手，就形成量子网络[8]。

人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，也极大地影响了计算机芯片的集成度，从而限制了运行速度。研究后发现，能耗来源于计算过程中的不可逆操作。那么，计算过程是否必须要用不可逆操作才能完成呢？结论是：所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机，而且不降低运算能力。既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作，那么正好可以用量子力学中的幺正变换来表示。但在早期量子网络中，只是用量子力学语言描述的经典计算机，并没有用到量子力学的本质特性――量子态的叠加性和相干性。在传统计算机中，基本信息单位为比特，运算对象是各种比特序列。同样在量子网络中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态，不仅提供了量子并行计算的可能，而且还将带来许多奇妙的性质。与经典计算机不同，量子网络可以做任意的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充。量子网络对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率幅度叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算。除了并行计算外，量子网络的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机永远无法胜任的。

无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。但是，在实际应用中量子相干性很难保持。在量子网络中，量子比特不是一个孤立的系统，它会与外部环境发生相互作用，导致量子相干性的衰减，即消相干。因此，要使量子计算成为现实，另一个问题就是克服消相干。而量子编码是迄今为止发现的克服消相干最有效的方法。主要的几种量子编码方案是：量子纠错码、量子避错码和量子防错码。量子纠错码是经典纠错码的类比，是目前研究的最多的一类编码，其优点为适用范围比较广，缺点是效率不是很高。量子粒子非常脆弱，一点风吹草动就会让它丢失信息。要实现对微观量子态的操纵实在是太困难了，目前为止，可以说还没有真正意义上的量子网络。不过，各国科学家和各地的许多实验室正在以巨大的热情和工作追寻着这个梦想。如何实现量子计算，目前已经提出了一些方案：主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等等。现在也很难说哪一种方案更有前景和可实现，可能量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。也许现有的方案将来都不能用，最后脱颖而出的是以某种新材料为基础的一种全新的设计方案。研究量子网络的目的也不仅仅是要用它来取代现有的计算机，量子网络的作用远不止是解决一些经典计算机无法解决的问题，量子网络使计算的概念将会焕然一新，这就是量子网络与其他计算机（如电子计算机和生物计算机等）的不同之处，可能是一个全新的计算方法和网络时代的来临。

参考文献：

[1]胡向东,魏琴芳.应用密码学[M].北京:电子工业出版社,2006

[2]Bruce Schneier.应用密码学[M].吴世忠.北京:机械工业出版社,2000

[3]张焕国,刘玉珍.密码学引论[M].武汉:武汉大学出版社,2003

[4]张镇九.量子计算和通信加密[M].武汉:华中师范大学出版社,2002

[5]赵千川.量子计算和量子信息[M].北京:清华大学出版社,2004

[6]Bennett C C.Phys Rev Lett,1992,68:3121

[7]Marand C,Townsend P D.Opt Lett,1995,20:1695

[8]Muller A,et al.Appl Phys Lett,1997,70:793

[基金项目]湖南省教育厅自然科学基金项目（09C791）

量子通信范文第10篇

量子通信正在成为亨通集团新的战略性产业。

日前，量子通信亮相2017亨通集团与媒体互动交流会，并成为这场交流会的一大亮点。

据了解，量子通信技术作为一种绝对安全的通信方式，被普遍认为是全球下一代通信和计算机技术的基础。因此，量子通信已经成为世界主要发达国家，如欧盟、美国、日本等大力发展和推动的产业。目前，我国的量子通信技术领跑世界，成为了真正意义上的第一个引领全球的科学技术。

据悉，业内专家普遍认为量子通信前景广阔，据公开资料显示，量子通信在军事、国防、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景，中投顾问统计数据显示，量子通信在未来3-5年内，市场规模有望达到100亿-130亿元；在未来5-10年内，技术和产品有望走向海外，届时市场规模将达1200亿元。随着我国量子通信技术的不断成熟，推动产业的不断发展，加上量子通信已被列入国家“十三五”规划十大重点推进项目，量子通信必将迎来一段急速发展的时期。

10|元新战略产业

近年来，亨通围绕从生产研发型企业向创新创造型企业转型的发展战略，不断强化技术创新能力，打造行业领先的技术和高端产业，实现产品供应商向全价值链集成服务商转型，在此背景下，亨通光电为紧跟国家创新政策导向，为网络时代的信息安全贡献自己的一份力量，果断发力量子通信领域，推动量子通信的产业化，成为国内首家从事相关研究的光通信企业。

2016年8月15日，亨通光电与安徽问天量子在中科大书面签署了协议共同投资成立江苏亨通问天量子信息研究院有限公司，在量子保密通信应用示范线的建设与运营、量子保密通信在特定领域的应用、量子保密通信相关应用技术、量子保密通信用新型光纤及量子光电子器件研究等方面开展合作。9月5日，亨通光电再次与北京邮电大学在北京正式签署了《加强联合实验室建设和推进全面合作的协议》，进一步加强在信息光电子器件、光纤通信和光纤传感方面的研究工作。

江苏亨通问天量子信息研究院有限公司是由江苏亨通光电股份有限公司与安徽问天量子科技股份有限公司共同投资成立，是一家专门从事量子通信领域研究及应用开发、工程建设及服务的公司，提供针对各行业的量子保密通信整体解决方案。亨通问天量子技术力量依托以中国科学院院士、中国量子信息学科鼻祖郭光灿为首的中国科学院量子信息重点实验室，为公司提供核心技术及全方位的技术支撑。公司拥有包括国家商用密码产品开发、生产资质；国家商用密码产品型号证书；增值电信业务经营许可证（ISP）；通信工程设计甲级资质；通信工程施工总承包壹级资质；通信信息网络系统集成甲级资质；武器装备质量体系认证；装备承制单位资格认证；武器装备科研生产许可证；武器科研三级保密资质等各项资质证书。具有承担党政、军队、电力、金融、通信、互联网、IDC等项目的资质和能力，可进行专网、军网、公网等核心网络的量子保密通信建设。

两月后，在吴江投资贸易洽谈会上，亨通光电再度发力量子通信领域，将在吴江经济技术开发区内投资5亿元，主要用于研发量子通信技术，并在量子通信方面进行应用研究及商业推广。据预测，未来该项目产业化后年销售收入可达10亿元。

产业新蓝海

虽然当下量子通信产业应用层面仍处于探索期，预期利好转化为现实利润尚需时日。但此时竞争格局未定，产业一片蓝海。

亨通先人一步布局量子通信，必然能在抢食量子通信这块蛋糕时占据更加主动的地位。正如亨通集团执行总裁钱建林所说：“亨通在国内市场的占有率超过25%，在全球市场占有率超过13%，在如此庞大的应用规模中，将有越来越多的光纤网络需要安全保护。当亨通量子通信研究实现产业化应用后，我们将为亨通客户、政府安全部门、金融行业、重大民生项目等提供包括产品、设备提供，工程设计，工程施工、应用技术在内的一整套量子通信安全保护解决方案。”同时，亨通也欢迎更多的企业进入量子通信领域，共同推动该项技术的发展和应用。

量子通信作为一项高端的新兴技术，一直在质疑中成长，为了推动和落实量子通信技术的项目落地，亨通问天自成立以来，主动出击，在成立后短短两个半月，参加了包括北京通信展、江苏互联网大会、世界智能制造大会等多个影响力巨大的展会，了全系列的量子保密通信工程化产品及解决方案，与包括军方、电力、互联网、通信等各个行业的多个公司进行了广泛的量子通信的交流和项目合作的探讨，亨通问天的知名教授及专家对量子通信的原理及应用进行了深入浅出的介绍，并现场组网演示了量子保密通信的干线组网模式、量子密钥的分发与传输以及攻击模拟等，受到了用户的广泛关注和赞赏，已经确定将从今年年底开始陆续展开多个项目合作，包括广域量子通信示范专线、干线的建设和运营，量子通信试验网络的试点与探索等。

事实上，量子通信未来的市场空间无疑是广阔的，它不仅可用于军事、国防安全，还可用于涉及秘密数据、票据以及证券、保险、银行、工商、地税、财政等领域，用来传递对安全性要求高的数据，市场需求巨大。