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量子通信范文1
中图分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）10-0060-01
1、概论
量子技术于上个世纪八十年代诞生并在二十世纪末在国际学术界引起了巨大兴趣和高度重视。以量子纠缠为原理的量子信息技术突破了现有信息技术的物理极限，在通信科学领域中提供新的原理和方法。二十一世纪信息科学将从“经典”时代跨越到“量子”时代，其发展将对国民经济军事、国防安全等都有着直接而重大的影响，各国都将量子技术作为重大战略点投入并发展。
2、量子纠缠技术
量子纠缠是一种存在于多种量子系统中的一种子系统。从测量学的角度分析，量子纠缠的结果无法独立于单独的系统且必定联系其他系统的参数。通常，一个量子是无法产生纠缠态的，至少要有两个量子位。假设由C和D构成一个复合系统，如果其量子态不能表示为该系统的纠缠态，则此复合系统的波函数不能表示为该子系统的直积：
常见的纠缠态有：两个粒子构成的贝尔基，它两两相交且具有最大的纠缠态；三个粒子构成的GHZ纠缠态等。
量子纠缠的实质是一种微观的多系统之间的一种非定域的关联，它是传递量子信息的通道，这也是用于实现量子通信的基础。
3、量子通信技术
量子通信是以量子纠缠技术作为基础，通过量子纠缠所产生的连锁效应来实现信息传递的一种新型的通信方式。量子通信结合了量子论和信息论，主要应用于量子密码通信，远程传态等。
量子通信的信息单位称为量子比特（qubit），它是两种逻辑态的叠加。在量子通信中，我们用量子态来表示信息，信息传递和信息处理中遇到的问题都采用量子理论来处理，其中，信息的传输是利用量子态在量子通道中的传送，信息的处理和计算是利用量子态的幺正变换，信息的提取是对量子系统进行测量。
我们看到，信息一旦量子化，则量子力学便成为了实现量子通信的物理基础，量子具有如下特性：
（1）量子的纠缠性。
（2）量子的不可克隆性。
（3）量子的叠加性和相干性。
在量子通信系统中，两个共享信息的人必须共享两个几乎一致的成对的量子（如光子），当其中一个量子携带了信息，则此信息会消失或者重现在另一个光子上，以此实现“不加外力”方式传输信息。所谓的“不加外力”传输是指信息在一个地方消失，又能在另一个地方重现的过程。由于报文是一种“不加外力”方式传输信息，因此，量子通信中的发信者与收信者利用报文方式传输所共享的量子的数量取决于发送报文本身的长度。由于量子只能成对产生且只能在一对发送者和接受者之间进行传输，所以量子通信网络也只能是一个链路一个链路地建立。
量子通信的特点在于量子通信中的信息传递可以不通过通信双方之间的空间，从而使得通信不会受到空间环境的制约与影响；量子通信的传输线路时延可以为0，是最快的通信方式；量子通信中，第三方是无法进行干扰和窃听。信息的载体—量子，是完全只保存在通信双方处；量子通信不存在任何电磁辐射污染，属于环保型新技术。
4、量子通信前沿
量子通信的实现方式通常有两种：
（1）利用量子耦合技术，制造出多粒子的量子耦合态。
（2）利用生物技术，建立意识生物的意识器官之间的某种量子耦合。
今年五月，中国科学院成功实现了远距离量子通信隐态传输。量子的运动不遵循中学学过的牛顿定律和麦克斯韦电磁定律，也不遵循描述宏观物体运动规律的相对论。量子通信最突出的是不能同时满足实在性和定域性。由于量子处于所有可能状态的叠加态，当你以不同方式观测它时，它才明确呈现出特定的状态，呈现何种状态与观测者和观测方式有关。其实现量子通信隐态传输原理如下：第一，把相干的两个量子A和B分别传送到信息的发端和收端；第二，另取一个量子C（这个C就是要被传输的东西），在发端对A和C做某种联合测量；第三，通过经典信道（比如打电话、发邮件等）把联合测量A与C的结果告知B；第四，收端在得知A与C联合测量的结果之后，做某种运算（或测量），运算之后B的状态与C在测量之前的状态就一致了（在发端对A和C进行测量的瞬间，由于A和B是相干的，B的状态也受到了某种程度的影响，这种影响，是C的初始状态可以在B上还原的根本原因）。到此为止，量子C在发端消失了（对量子的测量会导致量子状态的变化，从这个意义上讲，测量之后的C已经不是原来的C了），它又出现在收端（收端量子B的状态与原来C的状态相同，从这个意义上讲，C在收端重现了）。具体到物体从某地消失，瞬间又出现在另外的地方，从上面的解释可以知道，单从物理原理上说是可能的。更严格的说法是物体在某地被销毁，然后在另一地用相同的原料被重构。
与现在的通信方式相比，量子通信最大的特点是信道资源不再是瓶颈，甚至不再是有限的，量子信道的容量无限大，量子态传输的速度无限快，而且量子态的传输无法拦截，因而是绝对安全的。
参考文献
量子通信范文2
在信息时代，网络安全是一个严峻的问题。信息安全已经得到了各国政府的高度重视，一方面要保护自己的安全，另一方面要攻击对方，信息保护的升级刻不容缓。
1 现代密码学
现代密码学的基本思想是发送方使用加密算法和密钥，将要保密的信息变成数字发送给接收方。密钥是随机数0、1，将其与要传送的数字明文放在一起，用加密算法把它们变成密文，密文就是传送的信息。接收方使用事先定好的相应的解密算法，反变换将明文提取出。
密码体制分为两类：一类叫对称密钥(非公开密钥)，它的加密密钥和解密密钥相同，通信双方需要事先共享相同的密钥，关键在于如何安全地传递密钥。其中有一种一次一密(one time pad)的密码，用与明文等长的二进制密钥与明文异或得密文，并且每个密钥使用一次就销毁，根据香农的证明一次一密是无法破译的。
另一类叫非对称密钥(公开密钥)，加密密钥和解密密钥不相同，加密密钥公开，发送者发送密钥与明文混合之后的密文，接受者使用不相同的密钥解出密文。从公开的加密密钥推导出解密密钥需要耗费极巨大的资源，虽然原则上可破解，但实际做不到，所以，在当今社会受到广泛使用。
一旦量子计算机研制成功，它可以更快速的破解数学难题，公开密钥就面临了严峻挑战。
2 量子密码
无论采用哪种方法，都无法避免“截取-重发”的威胁。为了应对强大的量子计算机，需要无条件安全的一次一密的加密方案;但必须解决密钥分配的安全性，可以借助于量子信息作为密钥传输的工具。一次一密不可破译加上密钥传输不可以窃听，从理论上就可以做一个“绝对安全”的量子保密通信。
量子密码是利用信息载体(例如光子等粒子)的量子特性，以量子态作为符号描述的密码，它的安全性是由量子力学的物理原理保障的。
①测量塌缩理论：除非该量子态本身即为测量算符的本征态，否则对量子态进行测量会导致“波包塌缩”，即测量将会改变最初的量子态。②不确定原理：不能同时精准测量两个非对易物理量。③不可克隆原理：无法对一个未知的量子态进行精确的复制。④单个光子不可再分：不存在半个光子。
3 量子通信
量子通信，广义是指量子态从一个地方传送到另一个地方，内容包括量子隐形传态、量子纠缠交换、量子密钥分配;狭义上是指量子密钥分配或基于量子密钥分配的密码通信。本文讲述的是狭义的量子通信。
3.1 单光子的偏振态
本文介绍采用BB84协议实现的量子通信，在发送者和接收者之间用单光子的偏振态作为信息的载体。有两种模式：一个是直线模式，光子偏振态的偏振方向是垂直或者水平，如图1所示;一个是斜线(对角)模式，光子偏振态的偏振方向与垂直线称45 ?觷角，如图2所示。
3.2 基于BB84协议下的“制备-测量”
依照惯例，密码学家称发送者为Alice，接收者为Bob。Alice随机用直线模式或对角模式发出光子，并记录下不同的指向。Bob也随机决定用两种模式之一测量接收到的光子，同时记下采用检偏器的模式和测量结果值。传送结束后，Alice与Bob联络，Bob告诉Alice他分别采用哪种模式测量，然后Alice会告诉Bob哪些模式是错误的，这一过程无须保密。之后他们会删除使用错误模式测量的光子，而正确模式测量出的光子按照统一规定变成0、1码后，就成为量子密钥。
3.3 发生窃听
根据“海森堡测不准原理”，任何测量都无法穷尽量子的所有信息。因此，窃听者想要复制一个完全相同的光子是根本不可能的事情。同时，任何截获或测量量子密钥的操作都会改变量子状态，窃听者只得到无意义的信息，而信息合法接受者也可以从量子态的改变，知道存在窃听者。
密码学家通常称窃听者为Eve，同Bob一样只能随机选择一种测量模式，当她采用错误的测量方式对某一光子测量时，由于波包塌缩，光子的偏振态会改变。比如，Eve使用对角模式测量直线模式下的光子态，光子态会塌缩为对角模式。之后即使Bob选择了正确的测量模式测量该光子，Bob可能会得到不符合编码信息的测量结果，这就产生了误差，具体通信过程如图3所示。
Eve窃听一个光子采用错误测量模式的概率是50%;采用错误模式时，信息可能变成0，也可能变成1，他有25%的概率被发现。但密钥并非一个光子组成，光子数越多被发现的概率就会越高。当误码率低于阈值，就可以称这个密码是安全的;当误码率超过阈值，就称密码被窃听，重新再制备新的密钥，一直检查到密钥在建立过程中没有窃听者存在，接下来进行一次一密的传送。通过这种方式能保证密钥本身安全，并且加密密文不可破译，这就是量子通信的安全性所在。
3.4 量子信道与经典信道
发送方通过量子信道传送量子态光子，接收方用两种不同类型的检偏器测量，检测出0、1组成的量子密钥，还需要一个经典信道。因为是采用一次一密方式，所以经典信道需要定时传送同步信号。
4 量子通信现状
由于量子通信技术的各种优势，国际上的一些国家，特别是美国、日本、欧盟都投入了大量的人力物力，进行量子通信的理论与实验研究。2002年美国BBN公司，哈佛大学和波士顿大学开始联合建造DARPA网络。2010年日本在三个政府机构之间使用量子密钥分配技术，并与2010年10月在东京演示了一个城域量子保密通信网。2010年西班牙马德里建成欧盟第一个城域QKD网络。我国也在量子通信技术的道路上不断发展。2012年“金融信息量子通信验证网”是世界首次利用量子通信网络实现金融信息的传输。2012年党的“十”期间在部分核心部位部署量子通信系统。2013年量子保密通信“京沪干线”正式立项，打造广域量子通信网络。
5 结 语
量子通信还有一些技术难题未攻破，例如信道的干扰，设备的非理想特性，身份验证、密钥存储等技术需要进一步改良等等。虽然理想情况量子密码不可破，但在实际中还有一些漏洞需要考虑。在未来几年，相信我国在中央、地方政府及相关部门大力支持下，通过相关科研团队的努力，量子通信技术会不断完善，量子通信产业也必将取得飞速发展。
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【关键词】量子通信；量子信息学；量子信道；光子探测
1.引言
量子通信是量子力学和通信科学相结合的产物，可以实现经典信息论不能完成的信息处理任务。量子通信以量子力学为基础，其研究包括：量子隐形传态、量子安全直接通信等研究方向，对现有信息技术带来了重大突破，引起了学术界高度重视。近年来，有关量子计算机、量子相干性、量子通信、量子密码等理论和研究大热，其中，量子通信作为量子信息研究的内容之一，成为物理学等领域最活跃的研究热点。量子通信理论上可以实现绝对安全的通信过程，最初是利用光纤完成的，但由于光纤受地理和自身限制，无法实现远距离的量子通信，不利于全球化量子通信。1993年，6位来自不同国家的科学提出了利用量子隐形传送方案，构建了一种脱离实物的量子通信系统，以量子态作为信息载体，通过量子态的传送完成了大容量信息的传输，实现原则上不可被破译的通信技术。由于存在不可避免的环境噪声，量子的纠缠态品质会随着传送距离的增加而变得越来越差。因此，量子通信不可避免地首先要解决传输距离的限制才能具有良好的应用前景。空间量子通信技术利用分发纠缠光子的方法为远程量子通信的研究提供了一种途径。
2.空间量子通信技术原理
量子通信具有“容量大、速度快、保密性好”的优点，其过程遵从量子力学原理。典型的量子通信系统包括：量子态发生器、通道和量子测量装置。具有量子效应的粒子如：光子、电子、原子等，都可以作为实现量子通信的量子信号[1]。由于光信号具有良好的传输特性，我们现在通常所说的量子通信系统均为量子光通信系统。单光子（纠缠光子对）的分发是实现空间量子通信的前提，空间量子通信技术可以通过空间技术实现全球化的量子通信，克服自由空间链路带来的距离限制，图1给出了典型量子通信实验系统组成。
使用纠缠量子信号的量子态隐形传输技术是未来量子通信网络的核心技术[2]，其原理如下：根据量子力学理论，由两个光子组成的纠缠光子对（薛定谔将多体量子状态的不可分的相互关联称为量子纠缠），无论其在宇宙中相隔多远，其状态均不可分割。单独测量其中一个光子状态，会得到完全随机的结果，根据海森堡测不准原理，一旦测量了其中一个光子的状态，即使其发生了变化，那么另一个光子也会发生同样的变化，即“塌缩”到相同的状态。利用这一特性，通信者Alice随机产生一个比特，再随机改变自己的基来制备传输量子态，并重复多次，接收者Bob通过量子信道进行接收，他测量每个光子，也随机改变自己的基，当两人的基相同时，就得到了一组互补的随机数。一旦窃听者Eve进行窃听，纠缠光子对的特性就被破坏，Alice和Bob就会发觉，因此利用这种方式的通信是绝对安全的。
3.量子通信的研究进展和趋势
人们最初对量子的研究是基于对光的研究进行的，由于量子通信可以建立无法被破译的通信系统，因此受到美国、欧盟、日本等国在内有关科研机构的大力研究和发展，我国在这方面的研究成果也受到了国际上的广泛关注。特别是在量子通信的演示验证试验方面，学术界已经由地面自由空间传输试验向空间传输试验发展[1][3]。
（1）分发协议的发展
1984年，IBM公司的Chales H.Bennet和加拿大蒙特利尔大学的Gilles Brassard提出了第一个分发协议——BB84协议[4]。在1992年，他们又提出了EPR协议，又称E91协议，将纠缠态首次与量子通信联系起来[5]。2002年，Bostrom和Felbinger提出了Ping-pong协议[6]，这是一个十分重要的协议，其信息可以被确定性的直接传输，明显提高了传输相率，受到人们的重视。目前所有实验基本上基于上述协议进行的[7]。
（2）地面自由空间量子通信实验进展
1993年，美国IBM公司基于纠缠态交换的实验方案实现了世界上第一个量子信息传输实验，传输距离32cm，传输速率10bps，从此拉开了量子通信实验研究的序幕[1]。表1给出了现在国内外较著名的地面自由空间量子通信实验及成果[2][8-10]。
其中，中国科学技术大学潘建伟教授、清华大学彭承志教授等人于2005年至2009年间一系列的研究成果表明量子隐态传输穿越大气层是可行的，纠缠光子在穿透等效于整个大气厚度的地面大气后，其纠缠特性仍可以保持，这为未来空间量子通信技术的发展奠定了基础[7]。2007年，Zeilinger领导的联合实验室在奥地利两海岛间实现了跨越144km距离的基于诱骗态和纠缠态量子通信，是目前为止自由空间量子通信实验距离的世界纪录[7]。该实验的单光子源采用弱相干脉冲[10]，链路采用双向主动望远镜跟踪系统，包括一台光学望远镜（可发送单光子同时接收信标激光信号）及一架CCD相机等部件，如图2所示。这个实验的成功被认为是实现空间量子通信的重要基石。
由于量子通信的优势和特点，许多国家都把其列入重点研究范围，纵观各国研究现状，不难发现，美国侧重研究量子理论，正在大力研究和发展量子计算机和量子通信的理论和技术，希望在十年内有所突破。欧洲则对星地量子通信等空间应用较感兴趣，善于联合各国力量推动量子通信技术发展，现已开展相关实验。日本则重点致力于提高量子通信传输速率，并致力于量子网络系统的搭建和研究。我国目前已经在自由空间量子通信上取得了一系列世界领先的科研成果，需要广大科研人员继续努力，保持我国在该领域的领先地位。
（3）量子通信在空间的实验计划
欧空局（ESA）自2002年以来资助了一系列空间量子通信研究，如QSpace项目（2002年-2003年），ACCOM项目（2004年），QIPS（2005年-2007年）。QSpace项目一来是为了验证基于量子物理学的空间通信技术的可行性，二来是为了验证空间量子通信较地面量子通信的优势，如可避免大气扰动和吸收的影响等[11]。为此该项目进行了一些列的试验，获得了空间量子通信四项主要应用方向，对空间量子通信技术优势进行了归纳总结。ACCOM项目主要包括一个空-地单向通信实验，该实验基于当时的星间光通信技术，利用一个空基发射机对多个分布式地基接收机间进行自由空间量子通信实验，首次研发出了一种可重复使用光学收发终端。该项目的实验系统是在经典光学通信系统上进行复杂设计后改建的。QIPS项目即为上面描述的Zeilinger领导的联合实验团队进行的144km量子通信实验。实验表明，144km地面水平传输实验量子信道传输损耗约为25-30dB，这一数值与低轨卫星与地面间传输损耗大致相当，由此可见，同样的技术应用于空-地系统更具发展潜力和优势。
基于上述研究成果，维也纳大学的研究团队于2004年提出了Space-QUEST计划。审核该计划的ELIPS-2项目组认为该计划具有非常巨大的优势并强烈推荐ESA进行资助并实施。Space-QUEST实验旨在首次验证如下内容[11]：
1）基于新型量子通信技术（QKD）的全球无条件安全空间信息传输技术。
2）利用空间环境优势，突破地基量子通信瓶颈，实现空间量子通信。
如图4所示，该计划拟采用国际空间站（ISS）上搭载的量子通信终端设备向地面发送纠缠态光子来进行，搭载的光学望远镜口径仅10-15cm，载荷总重小于100kg，峰值功率小于250W，收发终端间距离大于1000km，远远超过现有地基实验系统传输距离。该计划最终将于2015年实施完成。
（4）空间量子通信技术存在的主要问题
一是空间量子通信噪声干扰消除问题。由于现实通讯状况的不完美和噪声干扰，所有的量子密码协议的噪声干扰如果跟有窃听者存在所带来的噪声没有差别[1]，通信连路是无法建立起来的；二是自由空间量子信道的传输特性问题。不同地面环境对光子传播的影响，包括大气衰减和退极化效应。4.总结
如上所述，近年来量子通信由于其安全性引起了研究人员广泛地兴趣，目前在实验领域取得了一系列进展，其中量子态的隐形传输，量子网络等技术正逐步走向实用。正是因为量子拥有广袤的实用前景，各国均在量子通信技术方面加大科研投入。但是在降低单光子源成本、加大通信传输距离、增强检测概率等一些关键性问题上还需要进一步研究。本文主要阐述了空间量子通信技术的产生、基本原理、发展历程和现状，并对空间量子通信技术存在的问题和难点进行了介绍。笔者相信，随着科学技术的发展，量子通信技术实用化、商用化指日可待。
参考文献
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[3]金贤敏.远程量子通信的实验研究[J].中国科学技术大学学报，2008.
[4]C.H.Bennett and G.Brassard，in Proc.IEEE Int.Conf.on Computers，Systems and Signal Processing Bangalore，India，pp.175-179.
[5]C.H.Bennett，Quantum cryptography using any two nonorthogonal states.Phys.Rev.Lett.68：3121-3124，1992.
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[7]何玲燕，王川.量子通信原理及进展概述[J].中国电子科学研究院学报，2012，7（5）：466-471.
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量子通信范文4
1.量子通信技术的特点及其发展历程
1.1量子通信技术的优点
量子通信系统是物理的量子学与现在信息理论想交叉的学科通讯技术，一类传输的是经典传输，一类是量子传输。其中经典传输是密钥的传输，而隐形的传输是无距离精确完美的传输。量子通信技术在信息化时代刚兴起不久，并迅速被应用到很多的领域中，并发挥了重要的作用。这一通信有密钥技术、远距离的传送、编码的实现、国防等领域中普及，而且通信技术具有高效率、灵活、高速、绝对安全的信息的传输、通讯时常可以为零等优点，被广泛应用各个领域。
1.2量子通信技术的提出发展历程
量子通信技术的提出简要分为19世纪进入通讯时代、信息交流与通信技术的演化、量子通信技术的突破。[2]
19世纪进入通讯时代，以往的通信技术是通过电磁波之类的信息载体进行信息的传送，速度很慢，没有量子效应的研制，这样的受很多因素条件限制比较大，空间距离就有可能让一些领域信息传输不够精准，一直都是信息载体的传输，效率不高且应用起来够完美。自从信息交流演化进程发展的加快，量子态开始迅速发展，时刻体现“零距离”、“高效率”“绝对安全实现”开始了通信传输进程的加快。最后在量子态的发展下具有了现在技术所需要的社会功用，具有很大的实用性。随着量子态中运用物理特性，例如原子可以表征粒子的物理特性、以及“量子效应”一个粒子的改变会牵引另一个粒子无论多远都会发生改变等的发展、远程通信技术，以及隐形传输的发展，都带来了量子通信传输研究领域的技术飞跃发展。
2.量子通信技术在各个信息化领域的广泛应用
2.1量子通信技术在发射卫星上天中的应用
量子通信传输不仅被应用到通信、多媒体、人工智能当中，也被各个领域运用，在日常生活中比较常见的是发射卫星上天网络的建立、以及利用卫星建立的网络平台实现中转，在较之非量子通信上有着不可替代的优势。量子通信技术虽然刚刚研究起步，但是确实研究的前景最为看好的通信传输技术，量子通信传输提供的零距离实现可以说是为其无空间受制最为成功的跨越，传输效率也因为量子通信传输的量子态处理，所以在传输中对完美传输要求精准这样严格的条件下，而量子信息技术恰恰满足了对于这样捕捉能力的需求，利用红外单光子探测器就实现了很好的捕捉。
2.2量子通信加密原理在国防、军事领域中的运用
利用量子效应，利用量子态的粒子携带密码信息，就不会有被窃听的风险，这样的应用到具有安全机密要求极高的军事领域中，保护通信密码的通信传输是量子通信的运用是对安全最完全的实现。以往通信传输受安全系数不高、传输距离的制约，不能对军事机密安全保证、空间距离大大制约了军事领域的发展。实现了“绝对安全‘这便直接决定了量子信息传输选择中量子理论的重要地位。[1]而且由于是信息仅仅是“黏着”在一个光子或者电子上，可以达到保证“窃听” 时信息的改变，这样的量子应用无疑是保证了内容绝对保密的关键的因素，这样加密方法是很难破译的、绝对安全以及突破传统数学加密方法，可以说，任何的“窃听”的活动以及信息的“拦截”都会改变量子状态。根据调查显示，大部分的军事领域将量子密钥为自己所用，已满足现在竞争的需求，而且80%以上的军事、国防需要安全保证、远距离、高效率的传输信息技术。使量子密钥在安全性、距离的传输以及量子态等转换得到保证，量子密码代替了传统数学密码可以破解的方法，在运用量子密码之后，保证了信息的绝对安全的保证。
2.3量子通信技术在空间信息传输中的应用
现如今信息时代传输高效安全是关键因素，信息传输的关注焦点主要集中在信息化安全、高效、远距离的传输上面，就是能安全、大容量的传输信息，且事实证明在传输上，因为距离原因上面，对于稳定性的传输技术还是需要由理论上升为研究实践的提高。
3.量子通信技术的发展前景展望
3.1网络密钥会有更大的“新”突破
网络密钥对于军事以及国防的安全性保证当之无愧对于安全系数高的领域能实现应用。但是还是没有被大规模的应用，这就是与量子纠缠有关，因为长距离的量子的稳定性还在创意研发阶段，不过，实现更远距离的有效的密钥的理论与实践能力都是会有更大的进展并且因为量子密码传输在全球都会实现安全的信息传输。
3.2满足更“大容量”方面的发展
数字信号处理技术打破了所受空间、距离以及安全等等的种种限制，同时对容量的需求给予了极大的满足，大容量可以实现高清晰图像，例如：可以实现超高速数据的传输。[2]目前，应用领域，80%以上的全球因特网络是以量子通信为基础的，预计以后全球化的通信技术的发展都要以此为基础。
3.3宇宙空间探索的更“快”进程
量子通信传输的信息技术，可以实现长距离且绝对安全的传输。不受空间等变化影响，可以并行执行多个操作，最可贵的是可以实现通信时常为零，甚至是超光速进行传输能力，将量子通信传输技术应用于宇宙探索中，这是当前发展的趋势能够加速我们在探索宇宙中的。
4.结论
在这样一个通信技术与交流、竞争并存的时代，通信技术的的如何更好的应用也是关键的问题，尤其是现在军事、经济等领域的竞争，空间拦截“窃听”技术研究国家的增多，量子力学与信息学的结合，如果不能不能很好的利用和很快将信息化时代的优势为自己所用，造成发展或者国家经济的发展出现被淘汰的境地。
综上所述，在信息化时代需要在一个较为大容量、安全的传输能力下，传输信息。而量子通信技术在实际的通信以及卫星、国防等领域的应用，因为远距离、高效、安全保证的能力的优点，促进了各个领域更好的发展，很好的结合信息学知识，向更好的方向发展的，因此，高效运用量子通信技术，将优点应用到各个领域，加速各个领域的发展同时也会使量子通信渗透进我们生活，量子通信技术的也使我们人类发展的进程的加快。
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【关键词】 量子通信 发展 存在问题 现状分析
20世纪80年代是量子通信技术研究的开启性时代，其实从历史角度看量子通信技术的研究要早于这个时间，早在20世纪70年代威斯纳已经写出了“共轭编码”这篇著名文章。量子通信技术是在量子力学快速发展的前提下发展的新领域，它在信息传递方面存在很大优势已成为目前研究的热点。但是随着通信技术的快速发展，也存住诸多问题。
一、量子通信技术发展中存在的弱相干光源安全性问题分析
根据量子通信技术研究表明量子通信是利用了光子等粒子的量子纠缠原理，量子纠缠是指在微观世界里两个粒子间的距离不论有多远，一个粒子的变化会影响另一个粒子变化的一种现象。因此，量子通信技术离不开光源技术。由于单光子源技术难度太高，我国量子通信技术一般采用弱相干光源技术，但是这种光源在实用发展中存在诸多安全性问题。
1、量子通信技术发展中存在的单光子分离攻击问题。光子是光最小的单位，单光子是不可再分的。但是我国通信技术使用的弱相干光源技术，它的脉冲中不止一种光子，在理论上这种脉冲中所包括的光子是可以再进行分割的。量子通信系统的基本部件由量子态发生器、量子通道和量子测量装置三部分组成，主要涉及量子密码通信、量子远程传态、量子密码编码等，按量子通信所传输的信息是经典还是量子分为两大类，它的基本思想是将原物信息分成经典和量子两种信息，分别经由经典通道和量子通道传递给接受者，在传递过程中量子通信的通道损耗非常大。对于单光子源技术来讲，即使通道损耗再大也是安全的，因为单光子不可再分割。但对弱相干光源来讲就会存在安全隐患，窃听者可以通过光子分离攻击假冒量子通信技术的通道而获得全部密码，并且不会被量子通信技术发现。
2、量子通信技术发展中存在的木马攻击和侧信道攻击问题分析。量子密码编码是量子通信技术使用中主要涉及部分之一，木马攻击就是利用量子密码信号源和接收器等部件的设计漏洞进行攻击，有效窃取量子通信技术里的量子保密系统的内部信息。这种窃取信息的方法主要有侧信道攻击、光能部件高能破坏攻击和大脉冲攻击等。[1]
二、量子通信技术发展中存在的通信效率低、通信距离受限制的问题分析
1、通信技术发展中存在的光子源产生单光子效率低问题分析。根据研究表明，单光子源具有非常强的量子力学性能，因其不可再分割的特性使每个单光子脉冲都是最安全的，即使量子通信技术的量子密码通信的两种通道损耗率特别大也能完整的完成原物信息传递任务。但因为单光子的制备存在诸多困难，目前我国量子通信技术很难利用单光子源技术，只能退而求其次利用弱光脉冲技术，而弱光子脉冲大多数的光子源发出的脉冲是没有光子的空脉冲，这不但严重降低量子通信技术的量子密码通信通道的传输效率还会增大量子密码通信通道传递量子密码编码的误码率。[2]
2、量子通信技术发展中存在的探测效率低的问题分析。量子通信技术的量子测量一般采用正定测量、通用测量和投影测量三种测量方式进行信息测量，这三种测量信息的基本原理是通过外部设备和北测量子的相互作用达到测量通信信息的目的，在量子通信技术的测量过程中会改变通道里量子的传输状态，由此造成通信信息测量误差。另一方面在对统一状态下的通道量子进行测量时，由于量子通信技术采用弱相干光源造成测量的通道量子种类不同，而种类不同又会导致测量量子的不同塌缩，最终造成测量结果出现偏差降低量子探测效率。[3]
3、量子密码通信系统与全光网光纤信道不能完全相结合的问题分析。量子通信技术的量子密码通信系统与全光网光纤信道不能完全相结合，会造成量子通信技术的量子通道损耗过高和量子通信通道效率降低，这些会导致远距离通信受限制。当前我使用的量子通信光纤尚未达到单模光纤的效果，导致光纤通信损耗率太大也会限制远距离通信。[2]
结束语：随着我国量子力学的发展，我国量子通信技术已经达到世界顶尖水平。本文从对量子通信技术发展中存在的弱相干光源安全性问题、通信技术发展中存在的光子源产生单光子效率低问题两方面进行了浅析。虽然量子通信技术在发展中存在诸多问题，但是它相对还是具有传输信息容量大、传递信息效率高和安全性能高等特点，在军事安全通信、高度保密的重要信息传递和生活通信等方面有很大应用前景。
参 考 文 献
[1]马锦城，王茹.量子密码通信技术与应用前景研究[J].通信世界，2016（273）：298-299.
量子通信范文6
【关键词】光子轨道角动量 量子通讯 应用解析
随之量子研究的逐步深入，我们对角动量有了更为清晰的认识，一般认为角动量存在轨道角动量和自旋角动量两种。而前者为光子量子态，在量子信息加载过程中涉及到的物理量有光子相位、偏振等。近年来，轨道角动量的应用得到了非常广泛的关注。
1 光子轨道角动量
相关研究已经表明，光束本身具备两种角动量态，其一和光束偏振特点相应的自旋角动量（SAM），其二指的是和光束螺旋形相位结构存在一定关联的光子轨道角动量（OAM）。相较于自旋角动量，光子轨道角动量具有非常明显的优势，其优势主要体现在以下两点：其一，光束偏振和光矢量存在一定的联系，在光束传输当中，必须对系统加以高效的检测，以免因为偏离而造成不必要的麻，但是OAM的应用无需通讯双方对参考系进行实时转换和调整；其二，OAM的维特性较强。将OAM运用于量子密钥分发方案中，可以显著提升量子密钥生成率，同时也可以扩大安全传送距离。类似于其他光子物理量，光子频率、光子相位、光子偏振态等，光子轨道角动量信息承载是通过信息比特编码工作实现的。光束自身存在特定的方位角，离散轨道角动量，在表述式中I代表的是方位角相对相应的拓扑何值，通常来说I都是整数。光子轨道角动量态以及极化态之间存在着差异，主要在于一个光子对应无数个OAM。
研究证明，拉盖尔-高斯（Laguerre-Gaussian beam ， LG）具有光子轨道角动量，在理论实验过程中，一般会采用LG 光描述OAM。本文的分析当中也使用的是含有轨道角动量的LG光，LG 模数字形式的描述如下：
（1）
在上面公式中，z为光束传送距离；r表示的是光到传送线轴的辐射距离；Zr=πw0/ λ 指的是光束自身Rayleigh长度；光束半径为w（z）= w0，languerre多项式是通过来表示，k =2π/λ指的是常数，C代表的是归一化常数，公式里下标/指的是方位，径向模式数由p来表示。
2 量子通信
量子通信指的是通过量子纠缠效应实现信息传输的一项全新的通信形式。量子通信是一种全新的交叉学科，近二十年来发展起来，结合了量子论与信息论，属于一个新的研究领域。以量子力学基本原理基础，同时也是世界量子物理与信息科学的研究热点。
3 光子轨道角动量在量子通信中的应用
光子轨道角动量态可以成为量子保密通讯信息的载体，是现今量子通讯领域一个研究热点。因为现在的量子保密通讯系统通常都是使用的BB84协议和B92协议。以上两种协议在进行测量基以及发送基比较传送的过程中，难免都会遭遇信息丢失的情况，所以会使密钥生成率大大下降。为实现密钥生成率的提升，我们基于正交态编码协议进行相应的优化，设计一项通过光子轨道角动量态实现通讯保密的实验方案。在这一方案中，激光器可以直接生成存在特定轨道角动量光子；使用光束旋转器测量光子轨道角动量。
图1表示的是以轨道角动量为基础的量子保密通讯系统的结构，这一结构的原形为W-Z干涉仪。在结果示意图中的分束器BS1、BS2相应的分束比均为50…50，LD1、LD2表示的是脉冲激光器，分别可以直接传送轨道角动量h、2h的光子，经过光混合装置LM的混合以及衰减装置A的衰减之后，激光脉冲进入量子通道。光束旋转装置相应的旋转角是由达夫棱镜DP1、DP2联合构成的，其旋转角α=π。而这一干涉仪两个双臂上各有一个延时器，延时器的功能是防止窃听信息者Eve，在此同时对两臂上的小脉冲进行拦截，这表示的是正交编码方案最为核心的部分。ts表示的是Alice发出光子的瞬间时刻，tr表示的是Bob收到的光子瞬间时刻，τ表示的延时装置延长的时间，也是光子穿行在量子通道的时间，使τ>t1。
在图1中，Alice管理的部分，它随意发出的h、2h的光子轨道角动量。输入态|Φin〉BS1=|0〉|〉，经过分束器BS1的作用，其相应的输出态为：
|Φout〉BS1= （|0〉|〉+i|1〉|〉0）. （2）
以上公式充分显示了在分束装置反射端与投射端光子输出概率为50%，但是光子在反射端输出的过程中增加了相位跃变，0〉表示的是真空态，1〉表示的单光子态。光子脱离量子通道，达到Bob所在的区域，在达夫棱镜的作用下，两臂形成了δ=π或者2π相位差，那么分束装置BS2相应的输出态：
|Φin〉BS2= [|0〉|〉+iexp（iδ） |〉|0〉] （3）
由此，分束装置BS2相应的转换方式为|0〉|0〉|1〉|1〉+i|1〉|0〉）和|1〉|0〉|1〉|0〉+i|0〉|1〉），在此中直积态中一、二态代表的是光子对探测装置传输的态，则，|Φin〉BS2通过分束装置BS2之后，转变为|Φin〉BS2=[1-exp（iδ）]|0〉|1〉+[1+exp（iδ）] |0〉|0〉. （4）
在以上公式中，当δ=π，得出[1-exp（iδ）]|0〉|1〉+[1+exp（iδ）] |1〉|0〉|0〉|1〉，这充分说明当光子轨道角动量=h，探测器D2会一定的响应。当δ=2π，得出[exp（iδ）+1]|1〉|0〉+[exp（iδ）-1] |0〉|1〉|1〉|0〉，由此可知当光子轨道角动量为2h时，探测器D1会响应，但是探测器D2不会予以响应。
4 结束语
综上，我们认识到含有角动量光束操控和测量技术相关的研究工作具有很大的现实意义，而且其应用前景逐渐在扩大。在轨道角动量为基础的量子通讯运用需要有效改善，安全性、信息传送速率以及容量需要进一步的提升，实现噪声和消耗的降低，设计研发实用性更强的编码方案，由此保障自由空间通讯的长效、稳定。
参考文献
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