浅谈量子通信技术发展现状及应用前景分析

周德建



浅谈量子通信技术发展现状及应用前景分析

周德建

广东海格怡创科技有限公司，广东 广州 510000

进入21世纪，计算机技术的迅速普及给人们的工作与生活带来了深刻影响，但是，信息科学自身发展存在着物理的局限性，而量子通信技术以无条件信息安全、高效抗干扰等特点，已成为各国角逐未来信息技术前沿的新领域、新方向，也必将给人类带来难以估量的影响。

量子通信；发展现状；应用前景

1 量子通信技术发展的历程

19世纪末麦克斯·普朗克发现了量子，20世纪中叶爱因斯坦和波尔进行了长达20年的伟大论战，促进量子力学体系不断完善，并逐渐形成量子通信理论基础。在量子密钥分发方面，1984年由IBM研究组与加拿大的Brassard等人经过研究后首次提出具有实用价值的BB84量子密码通信协议[1]，理论验证可以达到无条件安全通信。2005年美国学者Lo等人提出多强度诱骗态调制方案，解决了弱相干光源多光子的安全漏洞，为量子通信技术走向实用化打开大门。2013年中国科技大学潘建伟领导的科研团队，第一次实现了和测量器件没有关系的量子密钥分发，消除了单光子探测系统在现实环境中容易遭到黑客攻击的安全隐患，安全性进一步增强。量子密钥分发技术经过30多年的发展，目前已有小规模的试点应用和初步产业化趋势。在量子隐形传送方面，1997年奥地利Zeilinger小组首次验证了在室内的量子隐形传送，后来他们又经过多次试验，将量子隐形传送距离增加到600 m。2005年中国科学家在合肥创造了13 km的双向量子纠缠分发世界纪录，2010年中国科技大学与清华大学通过合作研究，将量子态隐形传输距离提高到16 km，2015年中国科学家开展的“多自由度量子体系的隐形传态”研究，在年度国际物理学领域的10项重大突破中名列榜首，为未来量子网络开启了瞬间传输技术的大门，量子通信有望承担起未来宇宙通信的使命。

2 量子通信技术发展现状

在中国国内，以郭光灿为核心的科研团队在2004年首次完成了从北京到天津的量子密钥分配方案，其传输距离达到了125 km左右。2007年国内科学家赵义博首次完成了涵盖四个用户的量子密码通信体系的测试实验。2008年实现了节点距离达到30 km的即时网络通话系统。2009年，我国第一个量子政务网站在郭光灿科研小组的筹备下成立。2000年以后中国相关科学家逐渐将量子通信应用于太空研究、空地通信当中，2013年中国科学研究院首次完成了星地密钥分配实验，并在济南建设了集控站以及用户节点，量子通信开始真正的应用于太空实验，星地通信当中。

3 量子通信技术发展的困境

3.1 系统性能有待提高，技术瓶颈有待突破

基于光纤传输的量子密钥分发技术（QKD）的量子保密通信百公里长距离传输的安全码率约为10 kb/s量级，相对于经典通信实现的Tb/s量级差距很大，难以实现一次一密加密。在数十公里短距离传输方面，目前实现的安全码率约为2 Mb/s量级，QKD系统协议处理机制仍需改进，单光子源、高品质纠缠光源、高性能光子探测器等核心器件的性能不高。在广域量子通信组网方面，量子态存储技术、量子纠缠操控技术关键问题尚未突破。星地量子通信是未来实现广域组网的目标方案，但目前尚无量子通信卫星平台的成功试验，其中涉及的关键技术和系统性能仍需进一步验证。

3.2 系统的现实安全性存在风险

在基于量子密钥分发技术（QKD）的量子保密通信系统中，光源、信道节点和接收机的不理想特性，可能成为被窃听者利用的安全漏洞，针对QKD系统进行攻防测试和安全性升级，将成为运营维护时必须面对的技术问题。在长距离量子通信传输过程中，由于现阶段QKD系统的密钥生成码率较低，在对高速信息进行加密处理时，难以满足一次一密的加密要求，也有可能成为整个系统的安全风险点。

3.3 初期市场规模和用户群体有限

现阶段量子通信主要面向政务、国防、金融等长期安全性要求很高的特定应用领域，市场规模有限且较为分散，加之传统通信业界对于量子通信的应用参与程度较低，目前仍持观望态度。此外，对现有系统进行量子通信升级的前期软硬件改造投入较高，基于量子密钥分发技术（QKD）的保密通信系统中包含大量精密光学器件，对日常使用和运营维护有较高要求，也影响了市场需求。

3.4 技术验证与标准规范研发滞后

对于任何高新技术，测试认证和标准化都是商用化、市场化推广的必要条件，需要计量和标准化组织的协调与合作。量子通信作为量子物理学和信息科学的前沿交叉学科，涉及众多技术领域，标准化工作的难度较大。当前，在量子通信领域国际标准化研究相对滞后，主要体现在对标准化重视程度不够，研究机构和企业各自为战，缺乏有效的沟通和协作机制，难以形成合力，无法形成试点应用经验的标准化成果。

4 量子通信技术发展的条件

满足绝对安全高效的通信需求随着信息技术的发展，人类开始步入高度的信息化、网络化和数字化时代，移动互联网、电子商务、移动支付和互联网金融也得到了大力发展，然而网络信息安全却风波不断。比如，支付宝客户欠款丢失、苹果承认存在“安全漏洞”、12306网站用户身份证敏感信息数据泄露、汇丰银行发生史上最大规模泄密等重大信息安全事件，都反映出传统保密通信系统的安全性正面临着严峻挑战。传统的经典保密通信系统往往依赖于密钥的安全性，不依赖于加密体制或者算法，由于现有的通信保密系统没有绝对安全的方案进行密钥分发，导致经典保密通信系统不可能具有严格的安全性。而量子通信是近年来兴起的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的最新研究领域。与传统通信方式相比，量子通信传输速度比光速高出4个数量级，其中的信息传输与传播媒介无关，具有完好的抗干扰性能，从而实现不可被破译的完美通信。量子通信具备的效率高、速度快和保密性强等特点，完全符合未来航天、军事、政务、金融等对信息通信安全的发展要求。

5 结论

信息时代，信息安全和通信能力将成为决定国家安全的重要基础，因此包括我国在内的世界各国对于信息安全的重视程度都非常高。量子通信技术以其安全性和高速传输速率将成为未来主流通信技术，在一些核心技术突破后量子通信技术将逐渐进入实用阶段，在国家安全、国民经济中将扮演非常重要的角色。

[1]赖俊森，吴冰冰，汤瑞，赵文玉，张海懿.量子通信应用现状及发展分析[J].电信科学，2016（3）：123-129.

[2]郑博熙，杜英.浅谈量子通信技术发展现状及应用前景分析[J].电子世界，2016（8）：192，196.

[3]任媛媛.量子通信技术的发展及其应用前景[J].安徽科技，2016（10）：53-56.

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1009-6434（2017）04-0079-02