计算技术
与 信息发展
量子通信技术的发展动态及应用
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（第二炮兵指挥学院
詹源源
湖北・武汉 430012）
摘 要：分析了量子通信技术的原理， 介绍了量子通信技术的最新发展动态以及应用价值。 关键词：量子密码 量子通信 中图分类号： TN91 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2011）002-059-01 量子理论诞生以来，科学家就试图利用量子效应来实现 远距离、 无时延、 “绝对安全” 的通信， 量子通信将成为人类通 信技术史上的又一次革命。 1 量子通信技术简介 1.1 基本量子理论 量子态是指原子、 中子、 质子等粒子的状态， 它可表征粒子 的能量、 旋转、 运动、 磁场以及其他的物理特性。 量子理论主要 包括量子纠缠和量子测不准原理， 是现代物理学的核心理论。 量子纠缠指的是在量子力学中，有共同来源的两个微观 粒子之间存在着某种纠缠关系， 不管它们被分开多远， 只要一 个粒子发生变化，另一个粒子的状态也会立刻发生相同的变 化， 这也是利用量子效应传递密码的基础。 Heisenberg 量子测不准原理是量子力学的基本原理， 指在 同一时刻以相同精度测定量子的位置与动量是不可能的，只 能精确测定两者之一。 1.2 量子通信的原理 量子通信是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型 通信方式。在量子通信系统中，信息的发送方和接收方共享 两个纠缠在一起的几乎完全一致的成对光子。当发送方将信 息赋予一个光子时，接收方的纠缠光子就会几乎同时发生一 致的变化， 从而实现用不加外力的方式传输信息， 传输的只是 表达量子信息的“状态” ， 作为信息载体的光子本身并不被传 输。在这一过程中，发送和接受方需要纠缠光子的数量取决 于报文的长度。 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。 量子通信的主要应用在于量子密码的传输， 与传统通信的唯一区别在于，量子通信采用了一种新的密码 生成方式， 而且密码不可能被第三方获取。 1.3 量子密码技术 依据 Heisenberg 的量子测不准原理，通过窃听不能得到 确定的有效信息。同时，任何针对量子信号的窃听都将不可 避免的留下痕迹，从而被通信方所警觉。量子密码技术就是 利用这一原理来判断是否有人窃取传输的密码信息，从而实 现密码的绝对安全。 量子密钥分配原理来源于光子偏振的原理。光子任意时 刻的偏振方向具有随机性， 在两个纠缠光子之间设置偏振片。 当光子的偏振方向与偏振偏振片的倾斜方向的夹角很小时， 光子改变偏振方向并通过偏振滤光器的概率大， 否则就小。 特 别是当=90°， 其概率为 0； =45°时， 其
概率为 0.5； =0°， 其概率为 1。通过公开渠道告知对方是如何旋转的， 把检测到一个光子 记为 “1” ， 没有检测到记为 “0” ， 双方都能记录到相同的一组二 进制数列， 以作为密码。如果有人在半路监听， 同样需要放置 偏振片， 就不可避免改变光子的偏振方向， 使发送者和接受者 记录的数列产生差异。 2 量子通信的发展动态及应用 1926 年量子力学诞生， 成为人类认识微观世界的理论基 础。 1935 年， 爱因斯坦、 波多尔基斯和罗森论证了量子力学和 相对论之间的不相容性。1964 年， 约翰・贝尔提出了贝尔理 论， 阐明用实验来检验超光速响应的可能性。1982 年阿斯派 克等人证明了超光速响应的存在。1984 年， 有人提出了用单 光子偏振态编码量子密码技术方案， 开始了量子密码的研究。 1989 年， 量子密钥传输第一次演示获得成功。1997 年， 奥地 利蔡林格小组在室内首次完成了量子态隐形传输的原理性实 验验证； 2004 年， 该小组利用多瑙河底的光纤信道， 成功的将 量子态隐形传输距离提高到 600 米。 我国的量子通信技术发展迅速， 位居世界前列。2007 年 开始， 中国科大-清华大学联合研究小组开始在北京八达岭与 河北怀来之间架设长达 16 公里的自由空间量子信道， 并取得 了一系列关键技术突破， 最终在 2009 年成功实现了世界上最 远距离的量子隐形传态，这一距离是目前国际上自由空间纠 缠光子分发的最远距离，也是目前国际上没有窃听漏洞的量 子密钥分发的最大距离。中国科学家在自由空间量子通信方 向上的一系列工作引起了国际学术界的广泛关注。 英国的 《新 科学家》 、 美国的 《今日物理》 等多家学术新闻媒体均对这些工 作进行了报道。下一步科学家们正在计划通过自由空间实现 几百公里的量子通信， 超越光纤传输的极限。 量子通信比较传统通信技术具有明显优势：抗干扰能力 强， 不需要借助传统信道； 量子密码几乎不可能被破译， 保密 性强； 线路时延几乎为零， 传输速度快。 目前量子通信技术已经引起很多国家政府和军方的高度 关注。一方面量子通信保密性强，在军事上几乎难以被敌方 破译，能够保证己方军事行动不被敌方所侦析。另一方面量 子通信技术能够抵御未来量子计算机技术带来的威胁。众所 周知，运用现有的高速计算机来破解复杂的加密算法可能需 要几万年，在现实中是难以接受的。然而量子计算机却只需 大约几分钟。如果量子计算机投入使用，就意味着任何传统 的数学密码体制都不再安全。 量子通信技术在民间通信领域前景也十分广阔。 2009 年 9 月， 中国科技大学组建了世界
上首个 5 节点的全通型量子通 信网络， 首次实现了实时语音量子保密通信。 “城域量子通信 网络” 使得城市范围的安全量子通信网络成为现实。在不久 的将来， 基于量子技术、 绝对安全的移动通信、 互联网将会逐 渐走进人们的生活。 参考文献： [1] 陈晖， 曹云飞， 李振邦. 量子保密通信发展趋势与对策探讨 [A].2010. [2] 王静端.量子通信的发展前景[A].2001.
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—— 科协论坛 ・ 2011 年第 2 期 （下） ——