成都电子科技学院通讯工程大学光纤通讯大作业系?别：?通讯工程大学专?业：?空间信息与数字技术班?级：?学?生：赵琨?学?号：?任课班主任：项水英?量子通讯的发展以及应用前景剖析摘要：2007年4月2日，国际上首个量子密码通讯网路由中国科学家在上海测试运行成功。这是迄今为止国际公开报导的惟一无中转，可同时、任意互通的量子密码通讯网路，标志着量子保密通讯技术从点对点形式向网路化迈出了关键一步。此次实验的成功，为量子因特网的发展奠定了基础。文章探讨量子密码的形成、量子密码学的基本原理、该领域的实验研究及研究成果，最后强调量子密码通讯将是保障未来网路通讯安全的一种重要技术。关键词：量子密码；量子秘钥分配；量子信息学;andIts：China'sfirsthasbeenin,theofonApril2,2007.Itistheonlyfully-thatcouldmakeanyrelayeverintheworld,to.Thefeatisasteptheusageoffromthepoint-to-point.Theofthis,laidthefortheof.Thispapertheof,thebasicofinthefieldofand,andoutthatwillbeantotheof.Keywords:;key;;量子密码通讯是一个新的迅速成长的领域，它牵连许多不同的学科，如量子热学、量子光学、信息论、光学技术、电子技术及通讯技术等。
如今，日本、欧洲、日本、中国等国家都纷纷加入到有关的研究中，使与量子密码技术相关的实验进展迅速。量子密码的研究尤其是量子秘钥分发早已逐渐趋向实用，有着宽广的应用前景。1量子的特点量子热学：量子同时处在不同的状态，只是这种状态各自有不同的发生机率（量子叠加性），并且一旦被检测，状态就被确定（量子态的坍缩）。2量子密钥的原理基于两种共扼基的四态方案,其代表为BB84合同BB84合同的原理是借助单光子量子信道中的测不准原理。Alice每隔一定时间随机地从4个光子极化态(0,π/4,π/2,3π/4)中任意选定一个发送给Bob,产生具有一定极化态的光子态序列,并记录每一个光子态对应的基矢类型(这个合同中有两种检测基矢:型和型)。Bob接到Alice发送的讯号后,开始接收Alice发送的光子态序列,Bob为每一个光子从两种检测基矢中随机地选定一种进行检测,然杂记录检测的结果并秘密保存。Bob接收并检测完Alice发送来的极化态光子序列后,向Alice公开其检测过程中所用的基矢或检测类型。Alice进行比较并告诉Bob其比较的结果:告诉Bob什么是正确的,什么是错误的。
按照比较结果,Alice与Bob根据事先的约定将经过比较后的所有正确的光子极化态翻译成二补码比特串,因而获得所需的秘钥。基于两个非正交量子态性质的方案,其代表为B92合同B92合同的原理是借助非正交量子态不可分辨原理,这是由测不准原理决定的。首先,选择光子的任何两套共轭的检测基(这儿我们取偏振光方向为0°和90°,45°和135°的两套线偏振光态,并定义0°和135°代表量子比特“0”,45°和90°代表量子比特“1”),合法用户Alice随机发射偏振光态(这儿取0°和45°),Bob随机使用偏振光态(这儿取90°和135°)进行同步检测。这些方式比BB84合同简单,但代价是传输速度降低一半,由于只有25%的光子被接受到。以上是两种典型合同的实现过程,而且,因为下边两个诱因促使上述合同是不可用的:(1)环境噪音和监听者的作用;(2)监听者可获得极少量的信息而不被发觉。因而,在实际通讯系统中,所有量子秘钥分发合同的实现须要降低一些非量子的过程。研究表明为了获得安全的量子秘钥须要完成以下五个过程[6,7],即量3量子密钥分配的有关实验美国密钥分配的有关实验1993年锗与量子通讯，加拿大的等人首次在光纤中实现了借助偏振光编码的量子密码传输。
她们借助经强烈衰减的激光（平均每位脉冲富含0.12个光子）来模拟单光子源，工作波长0.81um，通过选择偏振光片来选择发送不同偏振光态的光子。考虑到光子在光纤中的耗损是限制传输距离的主要诱因，1996年，她们改用1.3um的脉冲半导体激光作为光源，实现传输距离23km，误帧率仅为34‰。自从美国BT实验室的等人1993年首次完成光纤中相位编码形式的量子秘钥分配实验以来，光纤量子密码术在不到六年的时间内取得了惊人的发展。她们正是借助了这些方案与技术锗与量子通讯，并借助比先前实验中用到的灵敏度和杂讯更高的锗侦测器，实现了30km的秘钥分配，比特率为1比特每秒，误分辨率仅40‰。国外密钥分配的有关实验我国在量子密码通讯方面的若干研究方向，即更纯的单光子源、高效单光子侦测器、防监听技术、量子放大以及适应市场竞争。中科大郭小灿小组解决了这个稳定性和安全性统一的困局。在实验上研究了光纤系统不稳定性的化学症结，在理论上给出稳定性条件，从而设计出满足稳定性条件的迈克逊—法拉第干涉仪,在实验室外实现150km的量子秘钥分配，在上海与上海之间的125km商用光纤上实现了量子秘钥分配和加密图象传送潘建伟及其英国的朋友分别在1998年和2003年在实验上实现了纠缠交换和纠缠纯化，然而量子储存的实验实现却仍然存在着很大的困难。
为了解决这一问题，段路明院长及其英国、美国的合作者曾于2001年提出了基于原子系综的另一类量子中继器方案，但因为这一类量子中继器方案存在着对于信道宽度晃动过分敏感、误分辨率随距离降低而下降过快等严重问题，难以被用于实际的远距离量子通讯中。为了解决上述困难，潘建伟和他的朋友陈出兵、赵博等，于2007年提出了具有储存功能但是对信道宽度晃动不敏感、误分辨率低的高效率量子中继器的理论方案。4量子密码通讯研究现况量子密码通讯成功地解决了传统密码学上单靠物理难以解决的问题,导致了国际密码学界和数学学界的高度注重,各国科学家纷纷举办研究并取得了巨大成功。量子密码的第一个演示性试验是由、及其研究团队在1989年完成的,传输距离只有30cm。法国日内瓦学院1993年基于BB84合同的偏振光编码方案,在1.1公里长的光纤中传输1.3微米联通波长的量子光讯号,误帧率仅为0.54%,并于1995年在日内瓦水底铺装的23公里民用联通光通讯光缆中进行了实地演示,误分辨率为3.4%。1999年,英国和美国合作在光纤中成功地进行了40公里的量子密码通讯实验。
日本Los实验室成功实现48km量子秘钥系统运行三年,2000年她们在自由空间中使用QKD系统,传输距离为1.6km。2002年10月,荷兰阿姆斯特丹学院和美国美军下属的研究机构合作,在英国和德国边境相距23.4km的楚格峰和卡尔文德尔峰之间用激光成功传输了光子秘钥,试验的成功使通过近地卫星安全传送秘钥并构建全球密码发送网路成为可能。2003年8月,法国国家标准与技术研究所和波士顿学院的科研人员研发出一种能侦测到单脉冲光的侦测器,它同时能够将误测或“漏测”率几乎降低到零。这一新成果的报告发表在《应用化学通信》上,它为开发安全量子通讯和密码系统提供了关键技术。2004年3月17日,美国NEC公司宣布创下了量子密码传输距离的新记录150km,这一距离为量子密码技术的实用化提供了可能。2003年5月,中国科技学院院长潘建伟博士及其朋友在量子纠缠态纯化的实验研究中取得了突破性进展,这项研究成果除了从根本上解决了目前在远距离量子通讯中遇见的困难,但是也将极大地促进可容错量子估算的研究。日本《自然》杂志以封面文章的方式发表了题为《任意纠缠态纯化的实验研究》的论文《,自然》杂志审稿人赞扬潘建伟等人的论文“构成了量子信息实验领域一个特别重要的进展”,“首次在实验上无可争辩地证明了量子信息处理中任意未知的退相干效应是可以被克服的”。
2004年5月,法国的科学家称她们开发出传输速率最快的量子密码,达到了/s。她们还称倘若不考虑传输距离和成本,这些技术如今能够投入实际应用。2004年6月3日,英国BBN技术公司构建的世界上第一个量子密码通讯网路在印度马萨诸塞州剑桥城即将投入运行,这套网路已成功地实现了该公司与耶鲁学院之间的联接,不久将延展至波士顿学院,它标志着量子密码通讯技术已步入实际应用阶段。因为各类缘由,我国对量子密码通讯技术的研究起步较晚。1995年,中科院化学所首次以BB84合同方案在国外做了演示实验。2003年7月,中国科学技术学院中科院量子信息重点实验室的科学家在该校成功铺装一条总长为3.2km的基于量子密码的保密通讯系统。2003年11月,华南师范学院研发成功国外首台量子保密通讯样机。5我国发展量子密码通讯面临的问题及对策总的看来,比起西方发达国家的技术水平,我国还有较大的差别。目前,妨碍我国量子密码通讯迈向市场的诱因主要有以下几个:1)更纯的单光子源。单光子源是将脉冲激中信幅度衰减且其光子统计服从泊松分布,当脉冲激光衰减到平均每位脉冲0.1个光午时,每位脉冲含2个以上光子的机率才降为0.5%,当平均光子数继续降低时单光子速度也相应增加,这就造成了现今量子密码传输系统的带宽窄和传输速度慢。
加之光纤的吸收,单光子未能实现远距离传输。近来,段路明院士等提出一个量子中继器的新构想有望解决这个局限性。2)高效单光子侦测器。目前,常用的侦测单光子的仪器有光电倍增管(PMT)和雪崩光电三极管(APD)。但这两种元件的共同缺点是:需通过高压来获得放大,据悉,PMT在红外波段的量子效率太低以及其玻璃壳体使元件过大而易碎和APD须要液氮来减少噪音,这须要庞大的设备来维护且成本很高,同时为挫败潜在监听者的试图,就必须采用高效的光子侦测器以降低系统自身错误。目前对单光子侦测器的研究有一定进展,但都不能从根本上改变其量子效率、温度和工作电流等问题。3)防监听技术。量子密码术要迈向实用,必须结合一些精典技术,如:保密强化、纠错及认证技术等。这在一定程度上也减小了量子密码术在技术上的优势。这种问题都有待于整个量子信息技术的发展,比如量子储存器的技术等。4)量子放大。量子通道的放大将不可防止地丧失其量子特点,这促使量子信息传输的距离遭到限制。如今,在氢氧化铝光纤中传输的红外光子的最小耗损率为0.2db/km。5)适应市场竞争。由于量子通讯技术必须与传统的通讯技术竞争以获得市场,而这种传统方式在长距离上以及成本费用上更低,进而使量子密码通讯技术处于不利地位。
这也是目前量子密码术无法立刻转化为实用技术的诱因之一。并且从总的发展趋势看,精典保密通讯的成本是逐年提升,而量子密码通讯的成本正随量子密码技术的发展在减少。人们预测,当量子计算机成为现实时精典密码体制将无安全可言,量子密码通讯将成为保护数据安全的最佳选择之一。据豁达恐怕,在2015年前后,量子通讯和量子计算机在技术中将出现实用化前景,其实量子密码通讯很快便会投入实际应用,人类从精典通讯时代步入量子通讯时代不再只是梦想,量子通讯科学的今天会愈加辉煌。6自己对量子通讯的理解量子通讯是我们当代社会发展的最新的一门学科，吸引了无数科学家以及群众的眼珠，量子通讯的实现依赖我们孜孜不倦的努力与追求。量子通讯的研究是我们打破传统通讯形式的伟大技术,学习量子通讯打破我们现有的传统思维模式是必不可少的。突破思维，突破量子通讯技术困局。参考文献:[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]张镇九,张昭理,李爱民.量子估算与通讯加密[M].北京:华东师范学院出版社,2002.[6]陈志新,唐志列,廖常俊,等.量子保密术和保密通讯[J].量子电子学报,2003,20(4):385-390.