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1、新时期量子通信技术发展现状及发展趋势探讨摘要：当前，量子技术研究已成为当前世界科技研究的一大热点，量子通信技术也随之被广泛应用于各领域中。但值得注意的是，尽管量子通信技术近年来在发展与应用方面都取得了令人瞩目的成就，但仍面临一定的发展局限性，如量子保密通信技术。基于此，文章对量子通信技术进行概述，并阐述其发展现状、发展问题以及未来发展趋势。关键词：量子通信技术；发展现状；发展趋势安全是近年来世界各国关注的主要内容，尤其黑客攻击、窃听等网络安全问题更是人们关注的焦点。同时，从摩尔定律可发现，虽然集成电路在元器件容纳上逐渐增加，硅芯片性能上不断提升，但因元器件间距缩小，半导体晶体管尺寸变小，一定程
2、度上致使集成电路的运行可靠性下降。解决这些问题的关键在于量子通信技术的应用，通过其中的保密通信技术可使安全得到进一步强化。因此，本文对新时期量子通信技术发展的研究具有重要意义。1量子通信技术概述1.1量子力学原理第一，测不准原理。该原理亦称之为海森堡不确定性原理，主要指两个物理量在非对易情况下无法做到同时精确测量。以往经典物理中粒子可直接确定其动量与位置，而量子力学与之不同，若确定其中一个，另外一项则无法确定。这种不确定性关系的产生，极大程度归因于粒子的波动，而非受测量仪器精度影响。第二，坍缩原理。主要指在量子态测量中需做好测量基选择工作，一旦测量基被选错，将导致最终的测量结果受到影响，破坏原
3、有态。这也是当前网络信息安全中窃听行为实现的理论依据。1.2量子通信保密技术介绍本文在分析量子通信技术中，主要从量子通信保密技术上着手，可将其细化为量子安全直接通信（QSDC）、量子密钥分发等。首先，从量子安全直接通信看，其在通信形式上区别于量子密钥分发，实现中无需使密钥生成，可在量子信道构建下实现通信目的，这样信息可通过该信道安全传输，省却密钥分发方法应用下加密、解密等繁琐流程。从该技术实现的原理看，便以量子测不准、不可克隆原理等为依据，并借助量子纠缠原理达到安全传输目的。其次，对于量子密钥分发技术应用强调于量子态中进行密钥编码，在量子力学原理指导下，于发送者、接收者间进行传输，而传输密钥的
4、应用主要体现在加密、解密方面，以此保证信息传输的安全性。1.3密钥分发介绍量子密钥分发是量子通信技术的关键性部分，从理论角度分析可细化为：第一，实现中需经历一定步骤，涉及数据编码、传输与解码，技术应用旨在进行共享数据的建立。第二，数据传输检验。主要在数据传输中做检验工作，判断是否存在窃听情况。一旦发现传输数据存在被窃听情况，将直接抛弃该数据；若无窃听问题，可直接使用。本次研究中，选取几个较为典型的研究方案。首先，以Bennett方案为例，其在量子密钥分发中强调借助两个非正交态实现，在节省通信的同时，可在一定程度上保证传输效率。其次，以Erket研究为例，提出EPR纠缠方案，研究中分别测量相互纠
5、缠粒子，然后在两个粒子间进行相同密钥的构建，这样便可在数据传递中借助纠缠态实现。假若数据传输中存在窃听情况，在测量坍缩原理下，粒子纠缠将被破坏。2量子通信技术发展现状2.1量子密钥分发技术通信网络中，量子密钥分发技术的实现很大程度需以密钥分发网络技术为依托。在该网络下，量子密钥的分发可进行区域间的扩展，通过不同路径由一端到达另一端，这样多个用户可在该网络下进行量子密钥分配。当前大多数理论研究中，都从量子密钥分发网络节点出发，考虑选择哪种实现方式。第一种为节点选择信任方，第二种为节点选择光学器件，第三种为阶段选择量子接力、量子中继器。以这三种形式节点进行网络构建，在该网络下，量子密钥分发技术可因
6、此实现。2.2量子密钥分发技术研究与实践历程量子通信技术发展时间较长，自1989年起，由加拿大Braard、美国Bennett两位科学家选择10bit/为协议，制定BB84方案，成为首例梁子信息传输成功范例。尽管在初次试验中，仅达到32cm传输距离，但一定程度上标志着量子通信试验由此展开。随后，量子通信技术的发展取得极多成就，具体剖析整个发展历程如下：第一，Quantique公司于2001年设计量子密钥分发系统，单光子密码通信在67km光纤中实现。第二，英国、德国于2002年共同合作，在两座距离为23.4KM的山峰间成功实现通过激光传输光子密钥，这也验证了可借助卫星进行量子密钥的传送，同时进行
7、全球量子密钥分发网络的构建。第三，QKD网络发展。该网络首次应用于BBN公司、波士顿与哈佛大学间，通信采用标准电信光缆实现，直接以普通光纤做加密处理，可兼容互联网技术，达到10km的网络传输距离。第四，日本NEC公司于2004年在量子密码传输距离上进一步突破，其宣称可达到150km的传输距离，意味量子密码技术可真正投入使用。第五，我国在此期间也做出较多努力，如2005年中国科技大学研究发现量子密钥、纠缠分发可在自由空间13km内产生，验证大气层中纠缠光可通过，且在纠缠特性上得以维持。再如2005年，同一研究小组从诱骗态方案出发，做量子通信实验，取100km以上光纤为研究对象，取得成功。综上可以
8、看出，量子通信技术发展极为迅猛。仍以我国为例，“信息量子通信验证网”的投入使用便为量子通信技术發展的成功案例，说明量子通信技术被投入实践使用中。3新时期量子通信技术发展问题与趋势3.1量子通信技术发展问题量子通信技术发展取得的成就较为明显，如其中的量子密钥分发技术，在许多商用中都有所体现。但值得注意的是，由技术角度出发仍可发现有一定弊病存在，具体表现为：第一，单光子源实现瓶颈。近年来，在量子通信技术的应用过程中，为使通信性得以保障，强调引入诱骗态方案、弱相干光源等，这种方式可能面临空脉冲较多问题，影响光子产生效率，制约密钥分发速率。即使采用标记单光子源方式，空脉冲过多问题的解决也很难实现。第二
9、，单光子探测器问题。从当前量子通信技术的应用实践看，在单光子探测器应用方面通常以InGaA材料为主，仅保持10%量子效率。再如自由空间系统方面，取硅材料为主要材料，仍无法保证量子效率。另外，现有的单光子探测器应用中受较多的暗计数影响，出现误码的可能性极高，意味着密钥传输效率将受到明显影响。第四，通信误码率问题。在自由空间传输中，星地量子密钥分发方式的应用，可能因大气扰动、信道内背景光而使通信误码率增加，实际解决该问题中仅可对大气信道干扰问题进行控制，误码发生率仍较高。另外，地面、低轨卫星的保持较远间距，这就为精确跟瞄、同步带来一定难题。3.2量子通信技术的发展趋势对于当前量子通信技术发展中面临
10、的问题，未来研究与实践中，主要趋势表现为：第一，原有的基础性技术包括量子存储技术、量子纠缠纯化技术、单光子探测技术以及单光子发生技术需不断突破，且注意在元器件制备技术上加强，研究实践中更应注重量子密钥分发速率的提高，在误码率上进行控制，使密钥分发技术可被用于实践中。第二，未来研究与实践中应注意在星地同步、背景光以及大气湍流等量子密钥分发关键问题上逐步解决，应向中继节点为卫星的远距离密钥分发网络方向发展。第三，网络保密性问题，在进行量子保密通信网络构建的同时，注意紧密结合现有网络，使网络安全保密性得以强化。第四，对于以往量子通信技术理论内容，如以单光子、量子纠缠为基础的量子安全，应从理论向实验过渡，真正将量子通信保密技术投入到实践应用中。4结语量子通信技术作为信息技术发展的重要产物，被广泛用于当前较多领域中。本文研究首先对量子通信技术相关理论做简单阐述，包括量子力学原理、量子通信技术保密技术以及密钥分发等，在此基础上剖析量子通信技术发展现状，可发现量子通信技术自研究开始至今取得的成就较为理想。但值得注意的是，该技术的应用仍有一定的不足之处，成为研究与实践中亟待解决的问题，包括单光子源实现瓶颈、单光子探测器、量子纠缠等。以上问题解决后，可将量子通信技术的发展与应用推向更高的台阶。
