一文讀懂量子通信

網(wǎng)訊：近日，一項被國際審稿人高度評價為"量子密鑰分發(fā)和量子通信最遠(yuǎn)傳輸記錄"、"打破BB84協(xié)議下單光子源的傳輸終極極限"的中國成果，刊發(fā)于《物理評論快報》。在國際上首次實現(xiàn)超過400公里抵御量子黑客攻擊的測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)，創(chuàng)造了量子保密通信新的世界紀(jì)錄。量子通信作為既新鮮又古老的話題，具有嚴(yán)格的信息傳輸特性，目前已經(jīng)取得突破性進(jìn)展，被通信領(lǐng)域和官方機(jī)構(gòu)廣泛關(guān)注。那么究竟什么是量子通信呢？

　　一、量子通信技術(shù)

　�。ㄒ唬┝孔油ㄐ哦�義

　　到目前為止，量子通信依然沒有準(zhǔn)確的定義。從物力角度來看，它可以被理解為物力權(quán)限下，通過量子效應(yīng)進(jìn)行性能較高的通信 ;從信息學(xué)來看，量子通信是在量子力學(xué)原理以及量子隱形傳輸中的特有屬性，或者利用量子測量完成信息傳輸?shù)倪^程。

　　從量子基本理論來看，量子態(tài)是質(zhì)子、中子、原子等粒子的具體狀態(tài)，可以代表粒子旋轉(zhuǎn)、能量、磁場和物理特性，它包含量子測不準(zhǔn)原理和量子糾纏，同時也是現(xiàn)代物理學(xué)的重點。量子糾纏是來源一致的一對微觀粒子在量子力學(xué)中的糾纏關(guān)系，同時這也是通過量子進(jìn)行密碼傳遞的基礎(chǔ)。Heisenberg 測不準(zhǔn)原理作為力學(xué)基本原理，是同一時刻用相同精度對量子動量以及位置的測量，但是只能精確測定其中的一樣結(jié)果。

　�。ǘ�）量子通信原理

　　量子通信素來具有速度快、容量大、保密性好等特征，它的過程就是量子力學(xué)原理的展現(xiàn)。從最典型的通信系統(tǒng)來說具體包含：量子態(tài)、量子測量容器與通道，擁有量子效應(yīng)的有：原子、電子、光子等，它們都可以作為量子通信的信號。在這過程中，由于光信號擁有一定的傳輸性，所以常說的量子通信都是量子光通信。分發(fā)單光子作為實施量子通信空間的依據(jù)，利用空間技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)空間量子的全球化通信，并且克服空間鏈路造成的距離局限。

　　利用糾纏量子中的隱形量子傳輸技術(shù)作為未來量子通信的核心，它的工作原理是：利用量子力學(xué)，由兩個光子構(gòu)成糾纏光子，不管它們在宇宙中距離多遠(yuǎn)，都不能分割狀態(tài)。如果只是單獨測量一個光子情況，可能會得到完全隨機(jī)的測量結(jié)果 ; 如果利用海森堡的測不準(zhǔn)原理進(jìn)行測量，只要測量一個光子狀態(tài)，縱使它已經(jīng)發(fā)生變化，另一個光子也會出現(xiàn)類似的變化，也就是塌縮。根據(jù)這一研究成果，實驗者利用隨機(jī)比特，隨機(jī)轉(zhuǎn)換已有的量子傳輸狀態(tài)，在多次傳輸中，接受者利用量子信道接收 ; 在對每個光子進(jìn)行測量時，同時也隨機(jī)改變了自己的基，一旦兩人的基一樣，一對互補(bǔ)隨機(jī)數(shù)也就產(chǎn)生。如果此時竊聽者竊聽，就會破壞糾纏光子對，發(fā)信息和接受信息的人也就發(fā)覺，所以運(yùn)用這種方式進(jìn)行通信是安全的。

　�。ㄈ�）量子密碼技術(shù)

　　從 Heisenberg 測不準(zhǔn)原理我們可以知道，竊聽不可能得到有效信息，與此同時，竊聽量子信號也將會留下痕跡，讓通信方察覺。密碼技術(shù)通過這一原理判別是否存在有人竊取密碼信息，保障密碼安全。而密鑰分配的基本原理則來源于偏振，在任意時刻，光子的偏振方向都擁有一定的隨機(jī)性，所以需要在糾纏光子間分設(shè)偏振片。如果光子偏振片與偏振方向夾角較小時，通過濾光器偏振的幾率很大，反之偏小。尤其是夾角為 90 度時，概率為 0; 夾角為 45 度時，概率是 0.5，夾角是 0 度時，概率就是 1; 然后利用公開渠道告訴對方旋轉(zhuǎn)方式，將檢測到的光子標(biāo)記為 1，沒有檢測到的填寫 0，而雙方都能記錄的二進(jìn)制數(shù)列就是密碼。對于半路監(jiān)聽的情況，在設(shè)置偏振片的同時，偏振方向的改變，這樣就會讓接受者與發(fā)送者數(shù)列出現(xiàn)差距。

　�。ㄋ模┝孔油ㄐ诺陌踩�性

　　從典型的數(shù)字通信來說：對信息逐比特，并且完全加密保護(hù)，這才是實質(zhì)上的安全通信。但是它不能完全保障信息安全，在長度有限的密文理論中，經(jīng)不住窮舉法影響。同時，偽隨機(jī)碼的周期性，在重復(fù)使用密鑰時，理論上能夠被解碼，只是周期越長，解碼破譯難度就會越大。如果將長度有限的隨機(jī)碼視為密鑰，長期使用雖然也會具有周期特征，但是不能確保安全性。

　　從傳統(tǒng)的通信保密系統(tǒng)來看，使用的是線路加密與終端加密整合的方式對其保護(hù)。電話保密網(wǎng)，是在話音終端上利用信息通信進(jìn)行加密保護(hù)，而工作密鑰則是偽隨機(jī)碼。

　　二、量子通信應(yīng)用與發(fā)展

　　和傳統(tǒng)通信相比，量子通信具有很多優(yōu)勢，它具有良好的抗干擾能力，并且不需要傳統(tǒng)信道，量子密碼安全性很高，一般不能被破譯，線路時延接近 0，所以具有很快的傳輸速度。目前，量子通信已經(jīng)引起很多軍方和國家政府的關(guān)注。因為它能建立起無法破譯的系統(tǒng)，所以一直是日本、歐盟、美國科研機(jī)構(gòu)發(fā)展與研究的內(nèi)容。

　　在城域通信分發(fā)與生成系統(tǒng)中，通過互聯(lián)量子路由器，不僅能為任意量子密碼機(jī)構(gòu)成量子密碼，還能為成對通信保密機(jī)利用，它既能用于逐比特加密，也能非實時應(yīng)用。在嚴(yán)格的專網(wǎng)安全通信中，通過以量子分發(fā)系統(tǒng)和密鑰為支撐，在城域范疇，任何兩個用戶都能實現(xiàn)逐比特密鑰量子加密通信，最后形成安全性有保障的通信系統(tǒng)。在廣域高的通信網(wǎng)絡(luò)中，受傳輸信道中的長度限制，它不可能直接創(chuàng)建出廣域的通信網(wǎng)絡(luò)。如果分段利用量子密鑰進(jìn)行實時加密，就能形成安全級別較高的廣域通信。它的缺點是，不能全程端與端的加密，加密節(jié)點信息需要落地，所以存在安全隱患。目前，隨著空間光信道量子通信的成熟，在天基平臺建立好后，就能實施范圍覆蓋，從而拓展量子信道傳輸。在這過程中，一旦量子中繼與存儲取得突破，就能進(jìn)一步拉長量子信道的輸送距離，并且運(yùn)用到更寬的領(lǐng)域。例如：在対潛安全系統(tǒng)中，深海潛艇與岸基指揮一直是公認(rèn)的世界難題，只有運(yùn)用甚長波進(jìn)行系統(tǒng)通信，才能實現(xiàn)幾百米水下通信，如果只是使用傳統(tǒng)的加密方式，很難保障安全性，而利用量子隱形和存儲將成為開辟潛通的新途徑。

　　三、結(jié)束語

　　量子技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，作為現(xiàn)代科學(xué)與物理學(xué)的進(jìn)步標(biāo)志之一，它對人類發(fā)展以及科學(xué)建設(shè)都具有重要作用。因此，在實際工作中，必須充分利用通信技術(shù)，整合國內(nèi)外發(fā)展經(jīng)驗，從各方面推進(jìn)量子通信技術(shù)發(fā)展。