成都電子科技學院通訊工程大學光纖通訊大作業系?別：?通訊工程大學專?業：?空間信息與數字技術班?級：?學?生：趙琨?學?號：?任課班主任：項水英?量子通訊的發展以及應用前景剖析摘要：2007年4月2日，國際上首個量子密碼通訊網路由中國科學家在上海測試運行成功。這是迄今為止國際公開報導的惟一無中轉，可同時、任意互通的量子密碼通訊網路，標志著量子保密通訊技術從點對點形式向網路化邁出了關鍵一步。此次實驗的成功，為量子因特網的發展奠定了基礎。文章探討量子密碼的形成、量子密碼學的基本原理、該領域的實驗研究及研究成果，最后強調量子密碼通訊將是保障未來網路通訊安全的一種重要技術。關鍵詞：量子密碼；量子秘鑰分配；量子信息學;andIts：China'sfirsthasbeenin,theofonApril2,2007.Itistheonlyfully-thatcouldmakeanyrelayeverintheworld,to.Thefeatisasteptheusageoffromthepoint-to-point.Theofthis,laidthefortheof.Thispapertheof,thebasicofinthefieldofand,andoutthatwillbeantotheof.Keywords:;key;;量子密碼通訊是一個新的迅速成長的領域，它牽連許多不同的學科，如量子熱學、量子光學、信息論、光學技術、電子技術及通訊技術等。
如今，日本、歐洲、日本、中國等國家都紛紛加入到有關的研究中，使與量子密碼技術相關的實驗進展迅速。量子密碼的研究尤其是量子秘鑰分發早已逐漸趨向實用，有著寬廣的應用前景。1量子的特點量子熱學：量子同時處在不同的狀態，只是這種狀態各自有不同的發生機率（量子疊加性），并且一旦被檢測，狀態就被確定（量子態的坍縮）。2量子密鑰的原理基于兩種共扼基的四態方案,其代表為BB84合同BB84合同的原理是借助單光子量子信道中的測不準原理。Alice每隔一定時間隨機地從4個光子極化態(0,π/4,π/2,3π/4)中任意選定一個發送給Bob,產生具有一定極化態的光子態序列,并記錄每一個光子態對應的基矢類型(這個合同中有兩種檢測基矢:型和型)。Bob接到Alice發送的訊號后,開始接收Alice發送的光子態序列,Bob為每一個光子從兩種檢測基矢中隨機地選定一種進行檢測,然雜記錄檢測的結果并秘密保存。Bob接收并檢測完Alice發送來的極化態光子序列后,向Alice公開其檢測過程中所用的基矢或檢測類型。Alice進行比較并告訴Bob其比較的結果:告訴Bob什么是正確的,什么是錯誤的。
按照比較結果,Alice與Bob根據事先的約定將經過比較后的所有正確的光子極化態翻譯成二補碼比特串,因而獲得所需的秘鑰。基于兩個非正交量子態性質的方案,其代表為B92合同B92合同的原理是借助非正交量子態不可分辨原理,這是由測不準原理決定的。首先,選擇光子的任何兩套共軛的檢測基(這兒我們取偏振光方向為0°和90°,45°和135°的兩套線偏振光態,并定義0°和135°代表量子比特“0”,45°和90°代表量子比特“1”),合法用戶Alice隨機發射偏振光態(這兒取0°和45°),Bob隨機使用偏振光態(這兒取90°和135°)進行同步檢測。這些方式比BB84合同簡單,但代價是傳輸速度降低一半,由于只有25%的光子被接受到。以上是兩種典型合同的實現過程,而且,因為下邊兩個誘因促使上述合同是不可用的:(1)環境噪音和監聽者的作用;(2)監聽者可獲得極少量的信息而不被發覺。因而,在實際通訊系統中,所有量子秘鑰分發合同的實現須要降低一些非量子的過程。研究表明為了獲得安全的量子秘鑰須要完成以下五個過程[6,7],即量3量子密鑰分配的有關實驗美國密鑰分配的有關實驗1993年鍺與量子通訊，加拿大的等人首次在光纖中實現了借助偏振光編碼的量子密碼傳輸。
她們借助經強烈衰減的激光（平均每位脈沖富含0.12個光子）來模擬單光子源，工作波長0.81um，通過選擇偏振光片來選擇發送不同偏振光態的光子。考慮到光子在光纖中的耗損是限制傳輸距離的主要誘因，1996年，她們改用1.3um的脈沖半導體激光作為光源，實現傳輸距離23km，誤幀率僅為34‰。自從美國BT實驗室的等人1993年首次完成光纖中相位編碼形式的量子秘鑰分配實驗以來，光纖量子密碼術在不到六年的時間內取得了驚人的發展。她們正是借助了這些方案與技術鍺與量子通訊，并借助比先前實驗中用到的靈敏度和雜訊更高的鍺偵測器，實現了30km的秘鑰分配，比特率為1比特每秒，誤分辨率僅40‰。國外密鑰分配的有關實驗我國在量子密碼通訊方面的若干研究方向，即更純的單光子源、高效單光子偵測器、防監聽技術、量子放大以及適應市場競爭。中科大郭小燦小組解決了這個穩定性和安全性統一的困局。在實驗上研究了光纖系統不穩定性的化學癥結，在理論上給出穩定性條件，從而設計出滿足穩定性條件的邁克遜—法拉第干涉儀,在實驗室外實現150km的量子秘鑰分配，在上海與上海之間的125km商用光纖上實現了量子秘鑰分配和加密圖象傳送潘建偉及其英國的朋友分別在1998年和2003年在實驗上實現了糾纏交換和糾纏純化，然而量子儲存的實驗實現卻仍然存在著很大的困難。
為了解決這一問題，段路明院長及其英國、美國的合作者曾于2001年提出了基于原子系綜的另一類量子中繼器方案，但因為這一類量子中繼器方案存在著對于信道寬度晃動過分敏感、誤分辨率隨距離降低而下降過快等嚴重問題，難以被用于實際的遠距離量子通訊中。為了解決上述困難，潘建偉和他的朋友陳出兵、趙博等，于2007年提出了具有儲存功能但是對信道寬度晃動不敏感、誤分辨率低的高效率量子中繼器的理論方案。4量子密碼通訊研究現況量子密碼通訊成功地解決了傳統密碼學上單靠物理難以解決的問題,導致了國際密碼學界和數學學界的高度注重,各國科學家紛紛舉辦研究并取得了巨大成功。量子密碼的第一個演示性試驗是由、及其研究團隊在1989年完成的,傳輸距離只有30cm。法國日內瓦學院1993年基于BB84合同的偏振光編碼方案,在1.1公里長的光纖中傳輸1.3微米聯通波長的量子光訊號,誤幀率僅為0.54%,并于1995年在日內瓦水底鋪裝的23公里民用聯通光通訊光纜中進行了實地演示,誤分辨率為3.4%。1999年,英國和美國合作在光纖中成功地進行了40公里的量子密碼通訊實驗。
日本Los實驗室成功實現48km量子秘鑰系統運行三年,2000年她們在自由空間中使用QKD系統,傳輸距離為1.6km。2002年10月,荷蘭阿姆斯特丹學院和美國美軍下屬的研究機構合作,在英國和德國邊境相距23.4km的楚格峰和卡爾文德爾峰之間用激光成功傳輸了光子秘鑰,試驗的成功使通過近地衛星安全傳送秘鑰并構建全球密碼發送網路成為可能。2003年8月,法國國家標準與技術研究所和波士頓學院的科研人員研發出一種能偵測到單脈沖光的偵測器,它同時能夠將誤測或“漏測”率幾乎降低到零。這一新成果的報告發表在《應用化學通信》上,它為開發安全量子通訊和密碼系統提供了關鍵技術。2004年3月17日,美國NEC公司宣布創下了量子密碼傳輸距離的新記錄150km,這一距離為量子密碼技術的實用化提供了可能。2003年5月,中國科技學院院長潘建偉博士及其朋友在量子糾纏態純化的實驗研究中取得了突破性進展,這項研究成果除了從根本上解決了目前在遠距離量子通訊中遇見的困難,但是也將極大地促進可容錯量子估算的研究。日本《自然》雜志以封面文章的方式發表了題為《任意糾纏態純化的實驗研究》的論文《,自然》雜志審稿人贊揚潘建偉等人的論文“構成了量子信息實驗領域一個特別重要的進展”,“首次在實驗上無可爭辯地證明了量子信息處理中任意未知的退相干效應是可以被克服的”。
2004年5月,法國的科學家稱她們開發出傳輸速率最快的量子密碼,達到了/s。她們還稱倘若不考慮傳輸距離和成本,這些技術如今能夠投入實際應用。2004年6月3日,英國BBN技術公司構建的世界上第一個量子密碼通訊網路在印度馬薩諸塞州劍橋城即將投入運行,這套網路已成功地實現了該公司與耶魯學院之間的聯接,不久將延展至波士頓學院,它標志著量子密碼通訊技術已步入實際應用階段。因為各類緣由,我國對量子密碼通訊技術的研究起步較晚。1995年,中科院化學所首次以BB84合同方案在國外做了演示實驗。2003年7月,中國科學技術學院中科院量子信息重點實驗室的科學家在該校成功鋪裝一條總長為3.2km的基于量子密碼的保密通訊系統。2003年11月,華南師范學院研發成功國外首臺量子保密通訊樣機。5我國發展量子密碼通訊面臨的問題及對策總的看來,比起西方發達國家的技術水平,我國還有較大的差別。目前,妨礙我國量子密碼通訊邁向市場的誘因主要有以下幾個:1)更純的單光子源。單光子源是將脈沖激中信幅度衰減且其光子統計服從泊松分布,當脈沖激光衰減到平均每位脈沖0.1個光午時,每位脈沖含2個以上光子的機率才降為0.5%,當平均光子數繼續降低時單光子速度也相應增加,這就造成了現今量子密碼傳輸系統的帶寬窄和傳輸速度慢。
加之光纖的吸收,單光子未能實現遠距離傳輸。近來,段路明院士等提出一個量子中繼器的新構想有望解決這個局限性。2)高效單光子偵測器。目前,常用的偵測單光子的儀器有光電倍增管(PMT)和雪崩光電三極管(APD)。但這兩種元件的共同缺點是:需通過高壓來獲得放大,據悉,PMT在紅外波段的量子效率太低以及其玻璃殼體使元件過大而易碎和APD須要液氮來減少噪音,這須要龐大的設備來維護且成本很高,同時為挫敗潛在監聽者的試圖,就必須采用高效的光子偵測器以降低系統自身錯誤。目前對單光子偵測器的研究有一定進展,但都不能從根本上改變其量子效率、溫度和工作電流等問題。3)防監聽技術。量子密碼術要邁向實用,必須結合一些精典技術,如:保密強化、糾錯及認證技術等。這在一定程度上也減小了量子密碼術在技術上的優勢。這種問題都有待于整個量子信息技術的發展,比如量子儲存器的技術等。4)量子放大。量子通道的放大將不可防止地喪失其量子特點,這促使量子信息傳輸的距離遭到限制。如今,在氫氧化鋁光纖中傳輸的紅外光子的最小耗損率為0.2db/km。5)適應市場競爭。由于量子通訊技術必須與傳統的通訊技術競爭以獲得市場,而這種傳統方式在長距離上以及成本費用上更低,進而使量子密碼通訊技術處于不利地位。
這也是目前量子密碼術無法立刻轉化為實用技術的誘因之一。并且從總的發展趨勢看,精典保密通訊的成本是逐年提升,而量子密碼通訊的成本正隨量子密碼技術的發展在減少。人們預測,當量子計算機成為現實時精典密碼體制將無安全可言,量子密碼通訊將成為保護數據安全的最佳選擇之一。據豁達恐怕,在2015年前后,量子通訊和量子計算機在技術中將出現實用化前景,其實量子密碼通訊很快便會投入實際應用,人類從精典通訊時代步入量子通訊時代不再只是夢想,量子通訊科學的今天會愈加輝煌。6自己對量子通訊的理解量子通訊是我們當代社會發展的最新的一門學科，吸引了無數科學家以及群眾的眼珠，量子通訊的實現依賴我們孜孜不倦的努力與追求。量子通訊的研究是我們打破傳統通訊形式的偉大技術,學習量子通訊打破我們現有的傳統思維模式是必不可少的。突破思維，突破量子通訊技術困局。參考文獻:[1]S.[J].News,1983,15:78-88.[2]CH,G.:-keyandcoin[A].oftheIEEEnceon,and[C].NewYork:IEEE,1984.175-179.[3]EkertAK.basedonBell’s[J].PhysRevLett,1991,67:661-663.[4]CH.usinganytwo[J].PhysRevLett,1992,68:3121-3123.[5]張鎮九,張昭理,李愛民.量子估算與通訊加密[M].北京:華東師范學院出版社,2002.[6]陳志新,唐志列,廖常俊,等.量子保密術和保密通訊[J].量子電子學報,2003,20(4):385-390.