空间量子通信技术
第1讲 量子通信概述ppt课件
量子通信，量子计算机，量子模拟，量子度量学
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量子力学
量子力学是20世纪自然科 学发展的台柱之一。但是， 自量子力学诞生以来，科 学界关于量子力学基本问 题一直进行着激烈的争论。
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争论焦点： 自然界是否确实按量子力学的规律运行？ 经典力学：宏观物质的运动规律
量子力学：微观粒子的运动规律 自然界的运动规律
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1.3 量子通信发展现状与展望
量子通信发展现状 量子通信发展展望
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量子通信发展现状
自从1984年BB84协议出现后，各种协议不 断被提了出来，除了单光子脉冲的偏振自 由度、相位、时间、频率自由度也被挖掘 了出来，从而派生出了各种不同的实现方 法。制备-测量型量子通信系统基于单光子， 传输信道为单模光纤或自由空间。
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量子通信发展展望
量子通信系统将由专网走向公众网络 ，目 前大多数实验量子通信系统均是针对专门 的应用，对量子信号的传输需要单独采用 一根光纤，这样的话一方面成本较高，另 一方面应用范围受限。为了将量子通信推 广使用，如何利用现有的光纤网络同时传 输量子信号与数据信号，克服强光信号对 单光子信号的影响，是最近实验和研究的 热门课题，已经有了实际的实验结果 。
的发展都离不开它。
并且派生出了许多新的学科。
量子场论 量子光学
量子电动力学
量子信息学
量子化学
量子电子学 ……
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三、量子通信技术
通信安全
对于通信而言，迅捷再加上安全是关键。
对于目前电子信息时代，就地球范 围而言，通讯的即时性不成问题，而未 来距离遥远的星际通信就力有不逮。另 一方面自2013年斯诺登“棱镜门”事件 以来，给人们敲响了警钟，信息安全像 窗户纸一样脆弱。
量子信息传输的实现方法讲解
量子信息传输的实现方法讲解量子信息传输是指利用量子力学的原理，在量子系统之间实现高效的信息传输。
由于量子力学的特殊性质，相比经典信息传输，量子信息传输可以实现更安全、更快速的数据传输。
本文将讲解几种常见的量子信息传输的实现方法。
1. 量子态传输方法量子态传输方法是指将一个量子态从一个物理系统传输到另一个物理系统。
这种方法常见的实现方式是通过量子纠缠来实现信息传输。
量子纠缠是一种特殊的量子态，当两个量子系统之间产生纠缠时，它们的状态将紧密相连，即使它们之间的距离很远，改变一个系统的状态也会立即影响到另一个系统。
通过制备一对纠缠态，将其中一个系统拿到接收端，就可以实现量子态的传输。
这种方法在量子通信领域得到了广泛应用。
2. 量子比特传输方法量子比特传输是指传输量子比特（量子位）的信息。
比特是指计算机中存储和处理信息的最小单位，而量子比特是指借助量子力学特性实现存储和处理量子信息的最小单位。
一种常见的量子比特传输方法是利用超导电路。
超导电路是一种能够在极低温下工作的电路，常用于制作量子比特。
通过使用超导电路中的量子比特进行信息传输，可以实现高效的量子信息处理。
3. 量子电路传输方法量子电路传输方法是指通过配置一系列的量子门（量子逻辑门）来实现量子信息传输。
量子门是通过操作量子比特的相互作用来完成特定的量子计算任务的元素。
常见的量子门包括Hadamard门、CNOT门等。
量子电路传输方法可以通过将输入态经过一系列的量子门操作后得到输出态，实现量子信息的传输。
这种方法在量子计算中得到广泛应用。
4. 量子通道传输方法量子通道传输方法是指通过建立可靠的量子通道，实现量子信息的传输。
量子通道是指能够传输量子态而不破坏其纯度和相干性的媒介。
在量子通信中，常用的量子通道包括光纤通道和自由空间通道。
量子通道传输方法通过选择合适的通道和采用适当的量子态传输技术，来实现长距离、高效率的量子信息传输。
总结起来，量子信息传输的实现方法包括通过量子态传输、量子比特传输、量子电路传输和量子通道传输等方式。
量子通信的特点及应用
三、量子通信的应用
特点
决定Leabharlann 应用量子通信众多的特点决定了它的广泛用途， 尤其在军事领域。
三、量子通信的应用
• （一）军事信息系统中的应用 1、军事信息系统需要高速率、大容量传输处 理及按需共享能力。 量子技术的信息传输处理与计算能力是经典 通信无法比拟的。量子通信的超大信道容量、 超高通信速率和特高的信息高效率, 正好能满 足军事信息系统的特殊要求。
四、国内外发展现状
• （一）国内发展现状
2006年中国科学技术大学潘建伟教授领导的科研小 组，利用纠缠光子对实现了不受外界干扰的量子密 码传输。 2007年3月，郭光灿小组在北京网通建立了有4个用 户的量子密码通信网络，用户间最短距离32km，最 长距离42.6km。
四、国内外发展现状
（一）国内发展现状 • 2008年10月，潘 建伟小组构建了基 于商用光纤和诱骗 态相位编码的3节 点量子通信网络， 节点间距离20km ，实现了实时网络 通话和3方对讲功 能。
二、量子通信的特点
• (一) 信息效率高 量子信道中光量子 的信息效率比经典 信道中光子的信息 效率要高几十倍。
二、量子通信的特点
• (二) 信噪比低 在同等条件下, 量子通信获得可 靠通信所需信噪 比比一般通信低 很多。
二、量子通信的特点
• （三 ）、非局域性
量子隐形传态非局域性, 且与 传播媒质无关。在对量子纠 缠对中的一个光量子进行操 作的同时, 另外一个处于纠缠 态的量子的态也会发生相应 的变化, 这说明作为信息载体 的物理量子本身并没有被传 送, 所送的是量子的态。
四、国内外发展现状
• （二）国外发展现状 2、日本
2000年,日本将量子通信技术作为一项国家级高 技术列入开发计划,10年内投资400多亿日元,主要研 究光量子密码及光量子信息传输技术。日本邮政省 的目标是,在2020到2030年前后使量子保密通信网 络和量子通信网络技术达到实用化的水平。
量子信息技术及其应用情况的研究报告
量子信息技术及其应用情况的研究报告一、量子信息简介量子信息是量子物理与信息科学、计算机科学相交融所形成的交叉前沿学科。
它主要包括量子通信、量子计算、量子模拟、量子度量学等领域。
其研究目标是利用量子相干性及其衍生的独特的量子特性（量子纠缠、量子并行和量子不可克隆等）进行信息存储、处理、计算和传送，完成经典信息系统难以胜任的高速计算、大容量信息传输通讯和安全保密通信等信息处理任务。
量子信息的研究，将为我们提供物理原理上无条件安全的通信方式，以及突破传统计算机芯片的尺度极限从而提供新的革命性计算解决方案，从而导致安全通信和未来计算机构架体系根本性的变革。
量子信息技术经过近三十年突飞猛进的发展，在理论和技术方面获得了举世瞩目的成绩。
其中，量子计算能带来强大的计算能力—源于量子力学的相干叠加原理，量子计算拥有天然的巨大并行性和超快的计算方式；而量子通信是最先实用化的量子信息技术随着技术的不断进步，如今量子通信已经开始走出实验室。
可以说，量子信息技术已经不仅逐步应用于金融体系、政府部门、国防军事，也开始走向大众生活。
那么量子通信究竟是一种什么样的技术？目前发展到什么程度？量子计算是怎么回事？发展如何？本文拟就这些方面为大家做一个概览。
二、量子通信原理广义地讲，完全利用量子信道来传送和处理真正意义上的量子信息，也即利用量子态编码和传输处理信息的技术都属于量子通信。
比如著名的量子隐形传态(teleportation)可以将量子态“瞬间”传递到远方。
可以设想，将来人们利用全量子的网络，执行全量子的通信协议，从而实现用量子信息来完成特殊的信息处理功能。
狭义地讲，利用量子态来编码和生成安全的密钥，实现量子密钥分配过程，从而达到保密通信的目的，这便是通常讲的量子通信。
可以说，狭义的量子通信就是利用量子信息技术保障人们安全通信的技术。
由于量子态的脆弱性，直接利用量子传递信息并不好，因此人们采用了先利用量子信息技术生成密钥再用于保护通信数据的方案，因此也常称为量子保密通信或量子加密通信。
空间通信方式的优劣势分析
空间激光通信与其他空间通信方式的优劣势分析（一）空间通信的形式空间通信有三种形式：1．空间站与地球站之间的通信2．空间站之间的通信3．地球站相互间通过空间站转发进行的通信。
所谓空间站是指地球大气层以外的飞行体（如低轨卫星、同步卫星、航天飞机等）上面和其它天体（如月球）上面所设的通讯站：地球站包括陆地、水和大气层中的通信站。
注：【图示说明】（二）空间通信的方式目前空间通信主要采用无线电波实现空间信息传送的目的，但是随着人类生产、生活的需要，信息传送量大幅增长，现有空间通信的方式无法满足日益增长的通信需求。
经过全世界近30年的努力，无线光通信和量子通信方式因其通信的大容量、远距离、高速率、安全性等优势，被认为是未来空间通信最好的补充。
1、无线电波通信1)微波空间通信2)VHF（甚高频）和UHF（特高频）通信2、激光通信3、量子通信（三）空间通信方式的优劣势分析1、无线电波通信在空间通信中的优劣势分析1)微波微波通信使用波长为1m至0.1mm（频率为0.3GHz～3THz）的电磁波进行的通信。
包括地面微波接力通信、对流层散射通信、卫星通信、空间通信及工作于微波波段的移动通信。
微波通信具有可用频带宽、通信容量大、传输损失小、抗干扰能力强等特点。
(1)优势分析：①通信频带宽，传输信息容量大。
微波通信专用频段近300GHZ，长波、中波、短波段合计30MHZ。
②通信稳定、可靠。
当通信频率高于100MHz 时，工业干扰、天电干扰及太阳黑子的活动对其影响小，因此、微波通信较稳定和可靠。
(2)劣势分析：①传输距离有限由于微波的频率极高，波长又很短，在介质中的传播特性是直线前进，遇到阻挡就被反射或被阻断，所以只能进行视距内传输，远距离传输需要通过中继接力的方式完成通信。
②频段使用被约束在空间传输时，当相同的方向出现相同频率的微波信号会形成相互干扰，所以一个频段的使用需要得到国际电信联盟（ITU）及国家无线电管理部门的授权。
量子通信论文
量子通信技术发展现状及应用前景分析摘要：量子通信技术近年来取得突破性进展,由于其具有严格意义上的信息安全传输特性,。
从传统通信研究者的角度,回顾了量子理论及量子通信技术的发展历程,综述了国内外量子通信技术发展的现状和水平;并讨论了量子通信的定义和理想量子通信系统模型;基于现有技术水平和应用需求,提出了量子通信技术现实应用的设想和未来应用的展望。
关键词：量子通信系统模型安全性通信能力应用An Analysis of State-of-the-art and Foreground of Quantum Communication TechnologyAbstract: Quantum Communication technology, which achieved many unprecedented breakthroughs in the past several years, is arousing the attentions from related authoritative bodies and the field of communication research with its particular characteristic of perfect security in information transmission. Firstly, in this paper, the course of development and milestones of quantum communication theory and technologies are reviewed. And the state-of-the-art of domestic and foreign quantum communication technologies are summarized, with the conclusion that the technology tends to be mature, and China stands in the front row of the world both in quantum communication theory and experiments. Then, the definition and model of the ideal quantum communication system are discussed and engineering. Finally, realistic application scenarios and future application prospect of quantum communication technology are presented, in consideration of the requirements and current technology levels.Key words: quantum communication; system model; security; communication ability; application一、量子通信技术简介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。
量子通信技术发展现状及面临的问题研究_徐兵杰
摘 要： 量子通信具有更高的传输速率和更可靠的保密性，是世界各国正在研究和发展的通信技术 热点之一。首先介绍量子通信技术的基本概念、发展历程、系统架构、特点优势，然后重点阐述国内 外量子密钥分配、量子隐形传态、量子安全直接通信、量子机密共享等技术的研究进展情况，最后分 析量子通信技术研究和发展过程中面临的困难及局限。 关键词： 量子通信 密钥分配 隐形传态 机密共享 中图分类号： TN91 文献标志码： A 文章编号： 1002－0802（ 2014） 05－0463－06
同时，随着点对点 QKD 技术的成熟，基于量子 密钥分发技术的中小型规模的量子保密通信网络在 美国、欧盟、日本、中国等得到的多次实验演示验证， QKD 技术已经逐步接近实用化。2004 年，美国雷神 公司组和波士顿大学在 DAＲPA 支持下建了世界上 第一个量子密码通信网络； 2008 年，欧盟“基于量子 密码的全球保密通信网络”（ SECOQC） 研发项目组 建的 7 节点量子保密通信演示验证网络运行成功； 2009 年，由日本国家情报通信研究机构 （ NICT） 主 导，联合日本 NTT、NEC 和三菱电机，并邀请到东芝 欧洲有限公司、瑞士 ID Quantique 公司和奥地利 All Vienna 共同协作在东京建成了六节点城域量子通 信网络“Tokyo QKD Network”，集中展示了欧洲和日 本在量子通信技术上的最新技术； 2010 年起，美国 洛斯阿拉莫斯国家实验室秘密构建了城域量子通信 网络，直到 2013 年才公布； 中国先后建设了芜湖、合 肥、济南、北京等量子城域网，在 QKD 网络应用探索 方面走在世界前列。国庆 60 周年之际，中国在天安 门城楼、中南海、国庆阅兵指挥部等地点之间构建的 实时语音加密量子通信热线。总之，经过近 30 年的 发展，从技术指标上来讲，国际上 QKD 系统最远传
什么是量子通信技术
什么是量子通信技术？它的过去，现在，未来如何？量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。
量子通讯是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。
量子通信主要涉及:量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，近来这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。
高效安全的信息传输日益受到人们的关注。
基于量子力学的基本原理，并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。
主要包括量子通信和量子计算2个领域。
量子通信主要研究量子密码、量子隐形传态、远距离量子通信的技术等等;量子计算主要研究量子计算机和适合于量子计算机的量子算法。
量子通信具有高效率和绝对安全等特点，是此刻国际量子物理和信息科学的研究热点。
追溯量子通信的起源，还得从爱因斯坦的"幽灵"--量子纠缠的实证说起。
由于人们对纠缠态粒子之间的相互影响一直有所怀疑，几十年来，物理学家一直试图验证这种神奇特性是否真实。
1982年，法国物理学家艾伦·爱斯派克特(Alain Aspect)和他的小组成功地完成了一项实验，证实了微观粒子"量子纠缠"(quantum entanglement)的现象确实存在，这一结论对西方科学的主流世界观产生了重大的冲击。
从笛卡儿、伽利略、牛顿以来，西方科学界主流思想认为，宇宙的组成部份相互独立，它们之间的相互作用受到时空的限制(即是局域化的)。
量子纠缠证实了爱因斯坦的幽灵--超距作用(spooky action in a distance)的存在，它证实了任何两种物质之间，不管距离多远，都有可能相互影响，不受四维时空的约束，是非局域的(nonlocal)，宇宙在冥冥之中存在深层次的内在联系。
在量子纠缠理论的基础上，1993年，美国科学家C.H.Bennett提出了量子通信(Quantum Teleportation)的概念。
量子通信是由量子态携带信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程。
如何利用量子通信技术实现远距离通信
如何利用量子通信技术实现远距离通信量子通信技术是一种基于量子力学原理，利用量子态传输信息的通信技术。
它具有高安全性、高传输速率和远距离通信的优势，被认为是未来通信领域的重要发展方向。
本文将介绍如何利用量子通信技术实现远距离通信。
首先，实现远距离量子通信的关键是克服传输媒质对量子信息的损耗和干扰。
目前主流的远距离量子通信方案有自由空间量子通信和光纤量子通信两种。
自由空间量子通信是指通过空气或真空传播信息，通常用于远距离通信。
在这种方案中，量子比特通过搭载在卫星或飞艇上的光学设备进行传输。
为了减小光传输过程中的损耗，可以采用自适应光学方法来补偿大气对光信号的干扰。
同时，采用精确的光学系统，如自动跟踪系统和自动对焦系统，确保光信号的高质量传输。
另一种主流方案是光纤量子通信，将量子信息通过光纤传输。
光纤具有低损耗的特性，可以保持量子信息的较高纯度。
在光纤量子通信中，需要确保光纤的质量和制备工艺，以及减少光纤连接时的光耦合损耗。
此外，为了减小信号中的噪声和保持较高的信噪比，可以采用增强信号处理技术，如前向纠错编码和时钟同步技术。
同时，为了确保量子信息的安全性，远距离量子通信还需要采用量子密钥分发（QKD）技术。
QKD是一种基于量子力学原理的加密通信方式，通过量子比特的传输来实现密钥的安全分发。
它利用了量子测量不可逆的特性，确保了密钥的安全性，可以有效避免传统加密通信中的信息泄漏风险。
在量子通信中，还需要配备高效的量子比特发生器和探测器。
量子比特发生器可以产生高纯度的量子比特，保证传输信息的准确性。
相应的量子比特探测器可以实时监测和接收量子比特的状态。
它们的研发不仅需要超精密的仪器技术，还需要对材料的研究和制备工艺的不断改进。
除了技术方面的挑战，远距离量子通信还需要制定一套完善的标准和规范。
这将涉及到不同国家和地区之间的合作和协商，以促进量子通信技术的国际标准化和互操作性发展。
只有通过国际合作，才能推动量子通信技术实现全球范围内的远距离通信。
太赫兹、量子通信等技术
太赫兹、量子通信等技术1.引言1.1 概述概述随着科技的不断发展，我们现在生活的世界正变得越来越智能化和高速化。
而在这个不断变革的数字化时代，太赫兹和量子通信等前沿技术成为了各个领域研究的热点。
本文将着重探讨太赫兹技术和量子通信技术，并分析它们的背景、原理以及应用领域。
太赫兹技术是近年来备受关注的一项新兴技术，其频率从红外光的高频端到微波的低频端，被称为“光电子交叉学科的最后一块净土”。
太赫兹波的特点是具有良好的穿透性以及对许多材料的非破坏性检测，因此在安防、医学、化学等领域具有广泛的应用前景。
本文将介绍太赫兹技术的背景和原理，并探讨其在材料检测、医学成像等领域的具体应用案例。
另一方面，量子通信技术作为信息传输领域的一项重要技术，被视为保密性最高的通信方式之一。
它利用了量子力学的原理，通过量子态的传递实现了信息的高度安全性。
相较于传统的加密技术，量子通信技术具有不可破解性和绝对保密性的优势，因此在保密通信、金融交易、数据传输等领域被广泛研究和应用。
本文将介绍量子通信技术的背景和原理，并探讨其在信息安全、数据传输等领域的具体应用案例。
通过深入探讨太赫兹技术和量子通信技术，本文旨在总结它们在不同领域中的重要性。
太赫兹技术的应用前景广阔，有望在安全检测、医学成像等方面产生重大影响。
而量子通信技术则可以为信息安全和数据传输提供更为可靠的保障。
最后，本文也将展望太赫兹技术和量子通信技术的未来发展，探讨它们在新兴领域中的潜力和可能性。
1.2文章结构2. 正文:2.1 太赫兹技术太赫兹技术是近年来快速发展的一项前沿技术，它利用太赫兹波（THz 波）在光与微波之间的频率范围内进行传输与通信。
在2.1.1小节中，我们将介绍太赫兹技术的背景和原理，包括其起源、发展历程以及与光电子学和微波技术的关系。
接着，在2.1.2小节中，我们将探讨太赫兹技术的应用领域，如安全检测、无损检测、生物医学等。
通过对太赫兹技术的全面了解，我们将更好地认识到其在现代科技中的重要性和广泛应用的潜力。
关于量子通信,你必须知道这些!
关于量子通信，你必须知道这些！（专家：杭添仁航天科普作家）2016年8月中旬，我国将择机发射首颗“量子科学实验卫星”。
如果卫星成功运行，我国将成为世界上首次实现卫星和地面之间量子通信的国家，并结合地面已有的光纤量子通信网络，初步构建一个广域量子通信体系，在世界上率先实现全球化的量子保密通信。
众所周知，通信保密在国防、金融、政务、商业等领域具有重要作用。
就目前和可以预见的将来来看，量子通信被公认是迄今为止唯一被严格证明能'无条件安全'的通信方式，可确保通信安全和提升计算速度。
量子世界中存在一种类似“心电感应”的现象，即通常所说的量子纠缠。
实验验证，具有纠缠态的两个粒子无论相距多远，只要一个发生变化，另外一个也会瞬间发生变化。
其原因目前还没搞清楚。
量子纠缠示意图量子通信是利用量子的纠缠效应进行信息传递的新型通信方式。
它主要基于量子纠缠态的理论，使用量子隐形传态的方式实现信息传递。
传统的通信加密和传输安全都是依赖于复杂的算法，但是只要对方的计算能力足够强大，再复杂的保密算法都能够被破解，所以都不能够做到绝对安全。
量子通信的安全性基于量子物理基本原理，作为光的最小颗粒，单个光量子在传输信息的时候具有不可分割和不可被精确的复制两大特性，从而能保证信息的不可窃听和不可破解，因此，哪怕计算能力再强也是破解不了的。
量子通信是将信息编码加载到单个光量子叠加态的偏振方向上。
在量子保密通信过程中，发送方和接收方采用单个光量子的状态作为信息载体来建立密钥。
由于单个光量子是光能量的最小组成单元，不能被再分割，所以在单个光量子发射的情况下，窃听者无法将单个光量子分割成两部分，让其中一部分继续传送，而对另一部分进行状态测量获取密钥信息。
又由于不可被精确的复制，所以窃听者无论是对单个光量子状态进行测量或是试图复制之后再测量，都会对光量子的状态产生扰动，从而使窃听行为暴露。
量子通信永远不会泄密的原因之一是，量子加密的密钥是随机的，即使被窃取者截获，也无法得到正确的密钥，因此无法破解信息；其二，分别在通信双方手中具有纠缠态的2个粒子，其中1个粒子的量子态发生变化，另1个粒子的量子态就会随之立刻变化，根据量子理论，任何干扰都会立刻改变量子态，使窃取者得到的信息遭到破坏，并非原有信息。
空间探索新技术
空间探索新技术随着科技的不断进步，人类对宇宙的探索也日益深入。
近年来，一系列空间探索新技术的出现，不仅极大地推动了航天技术的发展，也为未来的太空旅行和资源开发提供了更多可能性。
本文将介绍几项重要的空间探索新技术，并探讨它们对未来的影响。
量子通信技术在空间探索中的应用量子通信技术利用量子纠缠和量子叠加原理，可以实现超高安全性的数据传输。
在空间探索中，量子通信能够保证地球与太空船之间的信息传输绝对安全，这对于深空探测任务至关重要。
此外，量子通信还有望实现地球与火星等远距离天体间的即时通讯。
核动力推进系统传统的化学火箭受限于燃料效率和推力，难以满足未来深空探索的需求。
核动力推进系统，特别是核聚变推进技术，以其高效的能量输出和较长的工作时长，被视为未来深空探测器和载人飞船的理想动力源。
核动力推进不仅能显著缩短星际旅行的时间，还能携带更多的科研设备和供给，为长期太空任务提供支持。
空间制造技术随着3D打印技术的成熟，空间制造成为可能。
在国际空间站上，已经成功进行了多次无重力环境下的3D打印实验，包括打印工具、零件乃至太空用的食品。
空间制造技术的发展，将使得未来的太空探索者能够在太空中自行生产所需物资，极大降低地球到太空的物流成本，对于建立月球基地或火星殖民地具有重要意义。
自主导航与智能决策系统随着人工智能技术的发展，未来的空间探测器和飞船将更加智能化。
通过搭载先进的自主导航系统和智能决策算法，探测器能够实现自我规划路径、避障、故障诊断和自我修复等功能，极大提高任务的成功率和安全性。
同时，这也为遥远距离的星际旅行提供了技术支持，使得人类对未知宇宙的探索更为深入和广泛。
结论空间探索新技术的发展，不仅为人类提供了探索宇宙的新工具，也为我们打开了通往星辰大海的大门。
随着这些技术的不断完善和应用，未来的空间探索将更加频繁、深入，甚至可能改变人类的生活模式和社会结构。
面对这一激动人心的未来，我们有理由相信，人类的太空时代即将到来。
量子通信基础第五章
量子密钥分发网络
欧洲的英法德奥等国联合建立基于量子密码的安全通信网络，简 称Secoqc (Secure Communication Based on Quantum Cryptography)，并于 2019年在奥地利的维也纳实验性地建立了一个5个节点的 QKD网络[4]
我国近几年来已在量子密钥分发网络方面做了不少的工作。据新华社报 导：2019年2月21日新华社和中国科技大学合作建设的金融信息量子通信验 证网正式开通，此网络连接新华社新闻大厦和新华社金融信息交易所，有4 个节点，3个用户，光纤长20km，量子密钥成码率达到10kb/s。
Alice
Bob2
进行量子通信，必须依靠Alice中转密钥。
Bobn
图5-1 光学分束器构成的QKD网络结构图
5 2019/9/16
1, 基于光学节点的QKD网络
随后出现了许多此网络的改进型网络，例如，基于WDM的树形量子 密钥分配网络、基于光纤布拉格光栅(FBG， Fiber Bragg Grating)的总线型 量子密钥分配网络、基于光分插复用(OADM, Optical Add/Drop Multiplexer) 的总线型量子密钥分配网络、以及基于Sagnac干涉仪的环形量子密钥分配 网络。
图5-3是Secoqc QKD网络结构示意图。Secoqc网络由QBB(Quantum BackBone)节点和QBB链路组成。每个主机被连接到遍布网络中的各 个不同QBB节点上，需要运行应用程序的主机还可以连接到 QAN(Quantum Access Node)节点上。QBB链路是连接QBB节点的特 殊链路，是普通QKD链路的延伸。每一个QBB链路都包括任意多条 量子信道和一条经典信道。量子信道是用来传输量子密钥的，多条 量子信道用于提高量子密钥分配速率。为了保证密钥传输的绝对安 全还需要一条经典信道作为辅助。这里所提到的经典信道是一个虚 拟的信道而不是物理信道。它负责传输会话密钥，路由信息，网络 管理信息等。经典信道可以是通过TCP/IP套接在公共网络上建立 的连接，也可以是一个直接连接两个相邻QBB节点的点到点连接。 QKD网络中量子信道需要在QBB节点间产生本地密钥并检测出有没 有窃听存在。只要量子比特的误码率低于安全阈值，两个QKD装置 就能够从原始密钥中提取出安全的密钥。如果误码率过高，原始密 钥将被抛弃。
安全高效的量子通信及其发展
3Co mmunications Wo rld We ekly量子通信不仅在理论上取得了很大的进步，在技术研究和产品研制方面也获得了快速的发展，业界已研制出较为成熟的单光子探测器、量子密钥分发产品、纠缠源、量子随即数发生器、量子数据加密系统等，量子通信将逐渐步入实用化阶段。
安全高效的量子通信及其发展承载传送合肥市科技情报研究所|古丽萍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。
从物理学的角度，量子是不可分的最小能量单位。
在量子力学中，这种微观粒子的运动状态，称为量子态。
量子纠缠是指微观世界里，有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系，两个处于纠缠状态的粒子无论相距多远，都能“感应”对方状态。
量子通信是在物理极限下，利用量子效应实现的高性能通信方式，主要涉及量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。
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。
量子通信是经典信息论和量子力学相结合的一门新兴交叉学科，按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类，前者主要用于量子密钥的传输，后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。
量子通信在通信安全性、计算能力、信息传输通道容量、测量精度等方面突破经典技术极限，与目前成熟的传统通信技术相比，具有绝对安全性、超大信道容量、超高通信速率、远距离传输和信息高效率等特点。
量子通信网络包括传输平面、控制平面和管理平面。
传输平面主要由光传输链路和量子交换模块组成，传输链路包括光钎、分束器、光复用器和解复用器等设备。
控制平面是量子通信网络的核心部分，主要功能包括：信令传输、呼叫连接控制、链路资源管理、路由管理、用户接口等。
管理平面由量子通信网络各个节点的管理层组成，实现管理功能分布化。
当两个用户需要进行通信时，管理平面向控制平面发送通信请求消息，控制平面根据通信需求和传输平面的拓扑信息等寻找路由，并将控制消息传送给传输平面，在通信双方之间建立端到端的物理连接。
了解量子纠缠与间隔传输通讯技术原理
了解量子纠缠与间隔传输通讯技术原理量子纠缠和间隔传输通讯技术是当前量子通信领域中的热门研究方向。
量子纠缠是量子力学的基本概念之一，指的是两个或多个量子系统之间存在着不可分割的联系，即使它们在空间上相隔很远。
通过量子纠缠，可以实现安全的通信和超快的数据传输。
量子纠缠的原理可以用量子态的叠加和纠缠来解释。
量子力学中的态可以同时处于多个状态的叠加态，这种叠加态可以通过量子纠缠来实现。
具体来说，当两个或多个量子系统之间存在着纠缠时，它们之间的状态是相互依赖的，即使它们在空间上相隔很远，一个系统的状态的改变也会立即影响到其他系统。
这种拥有纠缠的量子系统称为纠缠态。
量子纠缠在量子通信中扮演着重要的角色。
通过纠缠态的传输，可以实现量子隐形传态和量子密码通信等功能。
量子隐形传态是一种特殊的通信方式，通过纠缠态的传输，可以将一个粒子的量子信息传输到另一个粒子上，而不需要物质的传统传输介质。
这种传输方式打破了传统物理学中的信息传递速度限制，可以实现超快的数据传输。
在量子通信中，间隔传输通讯技术也是非常重要的。
传统的通信方式需要通过电磁波或光传输信号，而量子通信通过纠缠态的传输，可以实现远距离的通信。
间隔传输通讯技术的实现原理涉及到量子纠缠的生成、传输和检测等多个关键环节。
首先，生成量子纠缠态是间隔传输通讯技术的第一步。
通过一系列的量子操作，可以将两个或多个粒子纠缠起来。
一个常用的生成方法是利用超导电路或光子的纠缠。
这些方法通过精确控制实验条件，使得粒子之间产生纠缠，从而实现了量子纠缠态的生成。
其次，量子纠缠态需要通过传输介质进行间隔传输。
目前常用的传输介质包括光纤和卫星等。
对于光纤传输，量子纠缠可以通过光子被纠缠的方式进行传输。
而卫星传输则能够实现更远距离的传输，通过卫星搭载纠缠源和接收设备，可以实现地面和卫星之间的量子纠缠传输。
最后，间隔传输通讯技术需要对接收到的量子纠缠态进行检测。
由于传输过程中可能会因为环境影响而发生纠缠状态的破坏，因此需要对接收到的纠缠态进行鉴别和验证。
量子通信技术
量子通信技术【摘要】量子通信是量子信息中的一个重要分支．而其中最典型的量子通信技术是量子隐形传态和量子密码通信，文章介绍了最近取得较快发展的量子通信技术的历史，量子通信技术的理论框架，同时也涉及了这个领域的实验研究进展．[关键词]量子密码；量子通信；量子隐形传态；量子密码通信(southeastuniversity，10008218)密码学l量子通信发展史1993年，c.h.bennet提出了量子通信的概念。
同年，来自不同国家的六位科学家提出了一个结合经典和量子方法实现量子隐形传态的方案：将一个粒子的未知量子态传输到另一个地方，将另一个粒子制备成量子态，原始粒子保持在原来的位置。
其基本思想是将原始信息分为经典信息和量子信息，分别通过经典信道和量子信道传输给接收机。
经典信息是通过发送者对原始信息的测量获得的。
量子信息是发送方在测量中未提取的其余信息。
在获得这两种信息后，接收器可以准备原始量子态的完整副本。
在这个过程中，只有原稿的量子态被传输，而不是原稿本身。
发送方甚至对量子态一无所知，而接收方将其他粒子置于原始粒子的量子态。
在这个方案中，纠缠态的非局域性起着重要的作用。
量子隐形传态不仅对人们理解和揭示物理学领域神秘的自然规律具有重要意义，而且可以利用量子态作为信息载体，通过量子态的传输完成大容量信息的传输，从而实现原理上无法破译的量子保密通信。
1997年，在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现了未知量子态的远程传输。
这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。
实验中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。
量子叠加与量子纠缠2.1量子叠加(quantumsuperposition)一个量子系统包含几个粒子，这些粒子根据量子力学定律运动。
该系统被称为处于状态空间（通常使用Hilbert）空间来表述)的某种量子态。
量子信息处理研究以量子态为信息载体的信息论与技术，量子系统与经典系统的一个最大区别是它可以处于多个不同态的叠加态。
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空间量子通信技术陈彦，胡渝（ 电子科技大学 物理电子学院，成都 610054 ）摘要：利用卫星来分发单光子（或纠缠光子对）的方法为远程量子通信网络提供了一种独特的解决方案。
这将克服现有的光纤和陆上自由空间链路所带来的距离限制，实现真正意义上的全球量子通信。
本文对这种设想进行了分析，证明这种设想有很高可行性。
关键词：量子通信; 空间技术; 光子分发中图分类号：TN929.11；0431.2 文献标识码：AQuantum Communications in SpaceCHEN Y an ，HU Yu（Institute of Physics and Electronics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu，610054 ）Abstract：Using satellites to deliver single photon or entangled photon pairs is a unique solution to realize long-distance quantum communications networks. This solution is able to overcome the disadvantage of transmission distance when using fiber and terrestrial free space optical links. And global quantum communications may be realized in this way. A scheme of using satellite to deliver single photon or entangled photon pairs is described，and the possibility of the scheme is proved.Key words：quantum communications; Space technology; photon deliver1 引言量子通信具有“容量大、速度快、通讯保密性极强”的优点，可完成经典信息处理方法所不能完成的任务。
利用量子通信可以建立无法破译的密钥系统，因此量子通信已经成为当今研究的热点。
已经在标准光纤信道中，已经实现了距离超过100KM的量子密钥分配实验。
同时，还在23km的自由空间信道中，实现了基于单光子的量子密钥分配[1]；在600m的自由空间中实现了基于纠缠光子对的量子密钥分配实验[2]。
目前对量子通信的理论方案和实验研究，主要集中于利用光纤信道和点对点的陆地无线光信道。
但光子在光纤和陆上自由空间信道中的传输距离只是局域性的，无法满足全球性的量子通信的需要。
人们需要一种新的量子通信方案。
2 在空间中进行量子通信单光子（纠缠光子对）的分发是实现量子通信的前提。
当光子在光纤信道中传输时，其能量会随传输距离的增加而衰减，光子的偏振特性也会在传输过程当中发生变化；若利用陆上自由空间信道，则光子的能量会被大气信道吸收而衰减，同时链路的维持也会受到大气条件或陆上阻碍物的影响。
因此，单光子在现在的硅光纤和陆上自由空间中的传输距离受到了限制，从而无法实现全球范围内的量子通信。
而现在已得到广泛应用的卫星通信和空间技术却给全球性的量子通信提供了一种新的解决方案。
它可以克服光纤和陆上自由空间链路的通信距离限制，极大地延伸量子通信的范围，实现真正意义上的全球性量子通信。
2.1 空间量子通信方案按照单光子（纠缠光子对）发送者的不同，空间量子通信方案可分为地基和空基两种。
下面分别介绍这两种方案。
2.1.1 地基（earth-based）方案地基方案设想包括一个地基发射终端，该终端可以向地面站和卫星分发单光子，或者进行纠缠光子共享。
这样就能在这些通信终端之间进行量子通信。
其中最简单的情况，是一个地面终端与另外一个地面终端进行直接的通信，即陆上自由空间量子通信链路。
如前所述，这种情况的通信距离有限。
而由单个地面终端和单个卫星终端组成的上行链路，可用于完成在发射终端和接收端间进行安全的量子秘钥分发（quantum key distribution-QKD）。
若通过卫星的中继传输——透明转发，地面站就可以与很远距离之外的另一个地面站进行通信。
这种方案的通信距离，远远大于陆上光纤和自由空间量子通信链路的距离（现有的实验，通信距离都不超过100km），可实现全球性的量子通信。
但是应当注意的是，星-地光链路将受到大气湍流的影响，尤其是上行链路，因此这种地基方案实现起来有一定难度。
图1示出了地基空间量子通信系统示意图。
图 1 地基空间量子通信系统示意图2.1.2 空基（Space-Based）方案在这种方案设想中，光源（单光子、纠缠光子对）位于空间发射平台上。
此时的光通信链路经过的是星-地下行信道或星间信道。
由于星-地下行光链路受大气湍流的影响较小，而星间光链路几乎不受大气影响，因此这种通信方案将能够建立更长距离的链路。
这也是更容易接受和实现的全球量子通信方案。
如图2所示，只需一个下行链路即可在两个地面终端之间共享纠缠光子对中的一个光子；同时，一个简单的下行链路可以建立一个单光子链路，如，量子密钥分配；此外，纠缠光子对的共享可以通过两个直接的下行链路来建立，或通过另外的卫星进行中继处理——透明转发；另外，量子纠缠的分发还可以在一个卫星终端和一个地面站之间进行，或在两个卫星终端之间进行。
图 2 空基空间量子通信系统示意图2.2 空间量子通信的可行性分析利用空间技术、使用卫星辅助在空间中进行量子通信的设想，可以大大延伸陆上光纤链路和陆上点对点的无线自由空间光链路的通信距离，满足全球性的量子通信的需求。
这种设想无疑是一种非常积极的尝试。
但在现有的空间光第1期 (总第11期) 光 子 技 术 37 通信技术和硬件条件下，这些设想是否能够实现呢？下面将就这个问题展开讨论。
2.2.1 实现空间量子通信的必要条件为了实现在空间中进行量子通信的设想，系统必须至少具备下述硬件：一个发射终端，一个或多个接收终端用于单光子操作和检测，以及一个用于光子转发的中继模块。
一个发射终端由光子源（产生单光子或纠缠光子对）、用于与接收端保持同步的计时模块、一个经典通信信道、以及相应的光学发射模块（如衰减片、起偏器、光学天线等）组成。
现有的单光子源为泊松激光器，它所发出的激光是经过高度衰减的弱激光脉冲，并不是严格的单光子源。
泊松激光源已经广泛地应用于现有的基于单光子的量子密钥分配实验当中，并且获得了成功[3-5]。
但因为它还不是严格意义上的单光子源，因此增加了信息被窃听的可能性。
但通过对量子通信协议的修改，可以有效地降低由光子源引起被窃听的风险[6]。
而现有的纠缠光子源,是基于自发参量下转换过程。
这项技术极有可能通过改进缩小其模块的体积达到星上平台的要求。
一个接收端包括一个或多个光学输入信道，每个信道都允许独立地对量子比特（Qbit ）进行操作，如对光子偏振特性的旋转操作，或干涉相位的调制。
此外，接收端的每个输入端口还必须配备单光子探测器、一个同步计时模块、以及一个与发射端通信的经典通信信道。
其中与发射端通信的经典通信信道可以由现有的微波或者经典光波通信来提供。
可用作单光子探测的器件有很多，如光电倍增管（PMT ）、雪崩二极管（APD ）、增强型光电极管（IPD ）以及真空二极管（V APD ）等。
因为单光子探测器所探测的目标是一个个的光子或者高度衰减的脉冲激光，其工作信号强度接近量子极限，极易被噪声所淹没。
因此现有的单光子探测器为了降低噪声的影响，一般都要求在低温下工作，这就增加了系统的复杂程度和体积。
因此，能够在接近常温条件下工作的单光子探测器是将来的一个发展方向。
同时，现在已经商用的自由空间和光纤光通信探测器基本是硅材料制成的。
这种探测器的光谱响应只能到800nm 左右，如表1所示。
而对于另一已经用于空间光通信的、并且有很多潜在优势的波段——1500nm 波段，其对应的探测器是由锗及其化合物制成的，如表1所示。
这种材料的探测器目前的制造和应用都还相当有限。
因此随着量子通信的急速发展，对单光子探测器的研究将从两个方面进行：一方面对探测器件本身的结构、材料和生产工艺进行改进和提高，以便研究出结构更加合理、性能更加稳定、响应频段更加丰富的探测器件；另一方面将对探测器的外围控制驱动电路进行改造，以达到在常温或者接近常温条件下进行单光子探测的目的。
表1 几种高灵敏度的光电探测器比较 探测器工作波段（nm ）主要应用波段（nm ）量子效率 Si-PMT500～1050 600～800 30％ Si-APD350～1100 600～800 85％ Ge-APD500～1820 1310，1500 75％ InGaAs-APD 800～1750 1310，1500 80％中继模块的作用是对接收到的量子比特进行操作或转发，但是不对它们进行测量。
它可以由一个简单的光子回射器或者更复杂的中继卫星（例如在深空通信任务中）来担当，这样光子在地面站和深空卫星之间所建立的量子信道将变得透明化。
这里需要强调的是，量子通信中的中继模块并没有放大器的作用。
这是量子通信系统的一个特点，也是由量子力学的规律——量子不可克隆定理的结果。
2.2.2 链路分析上一节分析了空间量子通信系统的硬件组成和需求。
而要实现空间量子通信设想的另一个重要方面就是链路需求分析。
下面作者将对这种通信系统所涉及的通信链路需求进行分析。
一个星间或者星地链路的接收功率P r 可以可以简化表示为 [7]：r t t t d r r P P G L G ηη=⋅⋅⋅⋅⋅（1） 式中, P t 为发射功率,t η为发射机效率,r η为接收机效率, G t 为发射天线增益, G r 为接收天线增益, L A 为空间损耗因子。
按照现有的器件水平和实际情况，我们假设，一个星-地链路的通信距离L ＝1000km （LEO －地），发射机和接收机的光学透过率均为0.8，星上端机的天线口径取0.3m ，地面站端机的天线口径取1m ，链路的功率需求，如表2所示。
38 光 子 技 术 2006年3月其中L s为自由空间损耗，A a为总大气衰减。
表 2 星-地光链路功率需求表λ＝0.8μm λ＝1.5 μm上行链路下行链路上行链路下行链路tη -1dB -1dB -1dB -1dBG t134 dB 123.5 dB 128.5 dB 118 dBL s-264 dB -264 dB -258.5dB -258.5dBA a -7.5～-17.5 dB -7.5～-17.5 dB -5～-10dB -5～-10dBG r121.4 dB 132 dB 116 dB 126.4 dBrη-5 dB -2 dB -5 dB -2 dB总链路衰减 -22.1～-32.1dB -19～-29dB -25～-30 dB -22.1～-27.1 dB从上表中可以看出，对800nm和1500nm波段来说，LEO－地光链路的最大链路衰减都不超过30dB。