量子通信发展现状以及应用前景分析

西安电子科技大学通信工程学院

光纤通信大作业

系别：通信工程学院

专业：空间信息与数字技术

班级：011141

学生：赵琨

学号：0114027

任课教师：项水英

量子通信的发展以及应用前景分析

摘要：2007 年4 月2 日，国际上首个量子密码通信网络由中国科学家在北京测试运行成功。这是迄今为止国际公开报道的唯一无中转，可同时、任意互通的量子密码通信网络，标志着量子保密通信技术从点对点方式向网络化迈出了关键一步。这次实验的成功，为量子因特网的发展奠定了基础。文章阐述量子密码的产生、量子密码学的基本原理、该领域的实验研究及研究成果，最后指出量子密码通信将是保障未来网络通信安全的一种重要技术。

关键词：量子密码；量子密钥分配；量子信息学;

Quantum Cryptography and Its Research Progress Abstract：China's first quantum cryptography network has been successfully tested in Beijing, the Chinese Academy of Sciences announced on April 2, 2007. It is the only fully- connected quantum network that could make simultaneous communications without any relay ever reported in the world, according to experts. The feat is a crucial step towards the practical usage of quantum cryptography from the point- to- point network. The success of this experiment, laid the foundation for the development of quantum Internet. This paper describes the generation of quantum cryptography, the basic principle of quantum cryptography in the field of experimental research and research results, and finally pointed out that quantum cryptography will be an important technology to protect the security of network communication.

Key words: quantum cryptography; quantum key distribution; quantum information theory; quantum Internet

量子密码通信是一个新的迅速成长的领域，它牵涉许多不同的学科，如量子力学、量子光学、信息论、光学技术、电子技术及通信技术等。现在，美国、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密钥分发已经逐步趋于实用，有着广阔的应用前景。

1量子的特性

量子力学：量子同时处在不同的状态，只是这些状态各自有不同的发生概率（量子叠加性），但是一旦被测量，状态就被确定（量子态的坍缩）。

2 量子秘钥的原理

1)基于两种共扼基的四态方案,其代表为BB84 协议

BB84 协议的原理是利用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) 中任意选取一个发送给Bob ,形成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(这个协议中有两种测量基矢:Rectilinear 型和Diagonal 型) 。

Bob 接到Alice 发送的信号后, 开始接收Alice 发送的光子态序列,Bob 为

每一个光子从两种测量基矢中随机地选取一种进行测量,然后记录测量的结果并秘密保存。Bob 接收并测量完Alice 发送来的极化态光子序列后,向Alice 公开其测量过程中所用的基矢或测量类型。Alice 进行比较并告诉Bob 其比较的结果:告诉Bob 哪些是正确的,哪些是错误的。根据比较结果,Alice 与Bob 按照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进制比特串,从而获得所需的密钥。

2)基于两个非正交量子态性质的Bennett 方案,其代表为B92 协议

B92 协议的原理是利用非正交量子态不可区分原理,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测量基(这里我们取偏振方向为0°和90°,45°和135°的两套线偏振态,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 随机发射偏振态(这里取0°和45°) ,Bob 随机使用偏振态(这里取90°和135°) 进行同步测量。这种方法比BB84 协议简单,但代价是传输速率减少一半,因为只有25 %的光子被接受到。

以上是两种典型协议的实现过程,但是,由于下面两个原因使得上述协议是不可用的: (1) 环境噪声和窃听者的作用; (2) 窃听者可获得极少量的信息而不被发现。因此,在实际通信系统中,所有量子密钥分发协议的实现需要增加一些非量子的过程。研究表明为了获得安全的量子密钥需要完成以下五个过程[6 ,7 ] ,即量

3 量子秘钥分配的有关实验

3)国外秘钥分配的有关实验

1993 年，瑞士的Muller 等人首次在光纤中实现了利用偏振编码的量子密码传输。他们利用经强烈衰减的激光（平均每个脉冲含有0.12 个光子）来模拟单光子源，工作波长0.81um，通过选择偏振片来选择发送不同偏振态的光子。考虑到光子在光纤中的损耗是限制传输距离的主要因素，1996 年，他们改用1.3 um 的脉冲半导体激光作为光源，实现传输距离23 km，误码率仅为34‰。自从英国BT 实验室的Townsend 等人1993 年首次完成光纤中相位编码方式的量子密钥分配实验以来，光纤量子密码术在不到十年的时间内取得了惊人的发展。他们正是利用了这种方案与技术，并利用比以前实验中用到的灵敏度和信噪比更高的锗探测器，实现了30 km 的密钥分配，比特率为1 比特每秒，误码率仅40‰。

4)国内秘钥分配的有关实验

我国在量子密码通信方面的若干研究方向，即更纯的单光子源、高效单光子探测器、防窃听技术、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难题。在实验上研究了光纤系统不稳定性的物理根源，在理论上给出稳定性条件，进而设计出满足稳定性条件的迈克逊—法拉第干涉仪,在实验室内实现150 km 的量子密钥分配，在北京与天津之间的125 km 商用光纤上实现了量子密钥分配和加密图像传送潘建伟及其奥地利的同事分别在1998 年和2003 年在实验上实现了纠缠交换和纠缠纯化，但是量子存储的实验实现却一直存在着很大的困难。

为了解决这一问题，段路明教授及其奥地利、美国的合作者曾于2001 年