浅谈量子通信在交通通信与网络中的应用

浅谈量子通信在交通通信与网络中的应用

刘荣巨

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摘要：随着交通运输行业的快速发展，信息传输的需求日益增长。利用量子通信技术进行交通数据信息传输，是目前最有可能改变未来信息传输和网络的通信方式。本文通过分析当前交通通信与网络中的现状与问题，结合国内外量子通信在交通领域的研究和应用现状等，分析了量子通信技术在交通领域的应用需求，总结出量子通信在当前以及未来交通中的应用价值，发现量子通信在交通领域拥有一片蓝海市场。结合交通运输行业的实际情况，对量子通信在交通通信与网络中的前景进行了展望。

关键词：量子通信；交通通信与网络；交通运输；信息安全

随着社会的发展和科学技术的进步，人们对信息传递和共享的需求越来越强烈。特别是交通运输行业，现代交通运输事业的飞速发展，其数据信息传输量巨大，同时对信息安全有了更高的要求。由于网络建设、运营过程中不可避免地会存在安全隐患。量子通信作为新型传输方式，在信息安全上有诸多优势，可为交通行业带来新的思路。

1 通信网络概述

由于网络技术的飞速发展，信息传递的时空障碍被破除，使得远距离的不同终端可以实现实时、便捷的交流互动，进而推动世界朝着扁平化趋势发展。2018 年，我国提出了加快“新型基础设施”建设工作，作为新基建的重点和网络建设的基石，通信网络将为互联网、人工智能、智能制造业等信息领域新技术的发展和应用提供强有力支持。随着新型基础设施建设的不断推进，通信网络的发展将为人工智能、云计算、大数据等技术提供高带宽、低时延和安全可靠的通信保障。

2 交通通信与网络现状与问题分析

随着全球信息技术持续快速发展，我国交通网络规模也在不断扩大，通信网络的拓扑结构在一定程度上得到优化，实现了通信网互联互通、交通网络双层规划以及资源共享的完善体系，为运输效率、行车安全、乘客舒适度以及应急处理等方面提供强有力支撑。“两个一百年”的宏伟目标提出，要提供安全、便捷、优质的综合交通信息服务。然而在当今环境下，交通通信网络仍然面临以下几大问题。

2.1 网络安全性不足

在多智能体系统中，节点间协同控制的实现必须要依赖连通的网络通信图，然而由于多智能体系统通常在开放环境中部署并运行，其网络通信线路易受外部环境的影响，甚至遭到恶意攻击。

2.2 功能定位相对单一

以城市轨道交通通信系统为例：我国在早期建设城市轨道交通通信系统时，由于缺乏对城市轨道交通的合理规划，导致建设过程中出现较多问题。在开展城市规划建设时，过分强调轨道交通和公共交通因素的影响，而忽略了对系统功能定位的清晰划分。对于城市轨道通信系统的定位，往往将其看作一种服务设施，因此不能充分发挥其作用，且对其后续的维护和升级工作也不够重视。随着城市的高速发展，城市轨道交通设施需求量不断增加，单一的轨道交通设施往往不能满足时代发展的需要，从而对城市轨道交通多元化发展提出了更高要求[1]。

2.3 通信标准不统一

随着科技技术水平的提高，传统高速公路的交通通信网络系统已经不能适配于当今社会的需求，并且因为各部门在系统建设过程中缺乏统一，所以导致信息的互联互通和资源共享受到了限制，使得交通管理成本大幅度提升，管理难度也随之增加。例如，在大数据系统的帮助下，可以实现对高速公路的高效管理，对可能面临的危险情况及时做出预警。但是由于目前在高速公路交通通信网络建设的过程中还没有完成技术标准的统一，不同地区管理部门间信息难以有效互通，为高速公路交通管理增添了不必要的工作量[2]。

3 量子通信国内外综述

近几年，量子通信技术因其卓越的安全性而成为科学研究的热点。1984 年，Brassard 与Bennett 提出了首个量子密钥分发协议（BB84 协议），成为量子通信的开始。量子保密通信网络建设从小规模试验网开始，2003 年美国国防部资助建立全球首个QKD 网络、美国国家标准技术局在2006 年展示了3 用户的QKD 网络、2008 年欧盟建成了SECOQCQKD 网络、2009 年西班牙建成了马德里QKD 网络实验床、2010 年日本建成了4 节点东京QKD 网络等。2008—2009 年，中国科学技术大学先后建成了3 节点与5 节点的QKD 网络。

在中国，量子通信技术已经取得了很大进展。2013 年7 月，中国科学技术大学建立了长达2 000 余公里的量子保密通信“京沪干线”城域网，连通了北京市、上海市、合肥、济南等地。2017 年实现与“墨子号”量子卫星对接，构建了全球最大规模的QKD 网络。2018 年，世界上第一个城市范围内的量子通信网在中国成功实现。

中国在这一领域取得的突出成就引起了世界各国的广泛关注和积极跟进。欧洲和美国也在积极开展量子通信的研究。欧洲在2016 年实现了基于光纤的量子密钥分发，而美国也在2017 年成功地实现了基于微波的量子通信。此外，日本、韩国、加拿大和澳大利亚等国家也在进行量子通信的研究和实验。目前，国际上正在积极探索量子通信的商业应用和标准化

[3]。

4 量子通信的原理与特性

4.1 量子通信的基本原理

量子通信的理论定义其实并没有一个严格标准，从物理学角度可以认为是一个物理极限，通过量子效应就可以实现高性能通信。从信息学角度而言，量子通信过程中相应信息的传递是借助量子力学原理中特有的属性来实现的。量子通信采用量子纠缠和量子态传输等特性建立安全的密钥，通过量子态测量传输信息，保证信息的安全传输和保护。其中，量子纠缠实现密钥分发，量子态传输实现信息传输，量子态测量实现信息获取。

量子通信分为两类：量子密钥分发和量子态隐形传态。量子密钥分发即量子信道负责传输量子密钥，经典信道负责传输测量基等额外信息。而量子隐形传态则是将物体的一部分信息通过量子信道传递给接收方，同时用传统信道作为补充传输剩余信息。

4.2 量子通信的特性

相较于传统的通信方式，量子通信的显著优势在于高效率性和绝对安全，此外量子通信还具有出色的隐蔽性能、强大的抗干扰能力、较低的噪音比以及可以被广泛应用的潜力。

量子通信的优越性在于其会将信息进行加密传输，且此过程中形成的密钥充满随机性，可以有效避免被相关人员截取并破译出真实信息，而传统通信方式存在的安全性问题则无法克服。并且由于量子的不可分割以及不可复制性，能够使信息传递者在第一时间发现是否被他人窃听，从而及时改变信道或停止传递，所以严格意义上来看，它是绝对安全的。

比如，光纤网络就像是一条高速公路，光子是一辆装满货物的汽车。在经典通信条件下，汽车成队按照一定路线行进；而在量子密钥分发下，汽车是独自行驶在路面上，而且还会呈现随机的速度和状态，甚至会行驶在不同的车道上，混入不同的车流中。前者可以截获完整的信息，而后者即便捕获到某一辆或某几辆车，也会造成货物缺失，即使是能够破解，也无法获取完整的信息。

总结与展望

量子通信应用范围广，包括安防反恐、交通管理、能源电力、金融保险等在内的多个领域，在交通通信与网络中的应用价值更是不可估量。无论国内还是国外，他们都专注于量子通信研究，力争在量子通信方面做出一些成果，造福于国家和世界。在这个过程中，取得了许多令人瞩目的成就，量子通信取得了重大突破。量子通信未来将拥有一片蓝海市场，将成为新一轮科技革命和产业变革的排头兵。加快发展量子通信，对推动高质量发展、保障国家交通安全具有十分重要的作用。

参考文献：

[1]邓景云. 浅谈高速公路通信网络技术的现状和展望[J]. 华东科技（综合）, 2020, 000(007):P.1-1.

[2]陈智慧. 城市轨道交通通信系统的发展以及现状[J].数字通信世

[3]梁雨清. 划时代的量子通信技术现状及展望 [J]. 电子世界 ,2016(24).