探究量子通信技术及应用研究

探究量子通信技术及应用研究

钟杰琼650104197203032541

摘要：自 20 世纪 80 年代诞生以来，量子通信技术发展迅速。本文将量子通信技术和应用的研究分为两个部分：量子协议研究和量子通信研究。在对量子密钥分发、量子秘密、剂量转移、量子安全直接通信等量子协议的技术原理、适用性和研究进展进行分析比较的基础上，介绍了世界各国在量子通信链路构建、量子通信网络架构、量子通信系统构建等方面的关键研究进展。生产成本高等问题为未来的发展战略提供了解释，并可能为量子通信技术和基于程序的研究提供特定的基准。

关键词：量子通信技术；量子通信应用；量子纠缠

引言

近年来，量子信息科学研究获得了极大的发展。2021年，美国FASER小组发现了宏观世界铝片膜的量子纠缠现象；2022年，Alain Aspect等人因证明贝尔不等式不成立获得诺贝尔物理学奖；2023年，中科大的潘建伟团队成功进行了1002 km的光纤链路无中继量子密钥分发。特别是，我国成功研制出世界最快的光量子计算机一“九章三号”，能够同时处理255个光量子，运算速度比当前世界最快的超级计算机一“前沿”快23个数量级，有力彰显了量子信息科学的神奇魅力。而量子通信就是基于量子力学的海森堡不确定性、波粒二象性和量子纠缠等基本原理，通过对量子态的操作，实现信息安全保密传递的一种通信方式。海森堡不确定性是指微观粒子的位置和动量是一对相互关联的特性，无法同时给出确定的状态，只能给出微观粒子在时空的概率分布。波粒二象性是指微观粒子不同于宏观物体，它既具有波的特性，也具有粒子的特性，两种特性同时存在，相互制约，相互影响。量子纠缠是指相互纠缠的两个微观粒子，无论距离多远，改变其中一个粒子的状态，另一个粒子的状态同时就会发生改变。量子通信是目前人类已知的、唯一可以在数学上证明的、绝对安全的通信方式。自1984年，BENNETT C H和BRASSARD G提出了世界上第一个量子通信协议一BB84协议以来，人类便拉开了量子通信的研究大幕。后续研究人员又进一步提出了量子隐形传态、量子秘密共享等协议，并尝试将相关理论逐步应用到工程实践，提高通信的安全保密性。

1量子通信技术及应用研究分类

目前，关于量子通信技术及其应用的研究，主要集中在量子通信协议研究、量子通信工程技术研究以及量子通信应用研究等方面。量子通信协议研究可以为量子通信技术和应用研究提供理论基础；量子通信工程技术研究可以为量子通信应用研究提供实践基础；量子通信应用研究主要基于已有的量子通信协议和量子通信工程技术研究成果，研究和构建实用化量子通信系统。

2量子通信协议研究

量子通信协议研究萌芽于20世纪60年代，诞生于20世纪80年代，发展于20世纪末至21世纪初。量子通信协议研究主要基于量子力学基本原理，设计量子通信协议，为保证信息的安全保密传递提供理论基础。目前，量子通信协议研究基础架构已经基本成型。量子通信协议研究，依据所传输的比特类型以及使用场景，可划分为量子密钥分发、量子秘密共享、量子安全直接通信和量子隐形传态等协议研究。

2.1量子密钥分发协议

量子密钥分发是基于量子纠缠等量子力学基本原理，进行密钥信息的安全传递。量子密钥分发协议主要分为非纠缠单光子类、纠缠光子类和连续变量类等类型。1984年，美国物理学家BENNETTC H和加拿大密码学家BRASSARD G，基于量子态的不可克隆和测量坍缩性质，提出了人类历史上第一个用于量子密钥分发的通信协议一BB84协议。这一年被称为量子通信元年。BB84协议属于非纠缠单光子类密钥分发协议。该协议使用量子信道叠加经典信道的方式进行通信，基于量子信道进行光子的偏振态来传输，基于经典信道进行收发双方测量基矢的比对，根据比对结果生成密钥。该协议在分发密钥的同时，可有效检测窃听；为了解决BB84协议的复杂性问题，BENNETT C H于1992年提出了简化版的BB84协议一B92协议，1991年，美国物理学家EKERT AK基于量子纠缠提出了E91协议，相比BB84协议的单光子传输，E91协议先在本地生成纠缠光子对，然后分别发送给通信双方，使双方基于量子纠缠产生通信密钥；为了解决BB84协议和E91协议存在的必须使用价格昂贵的光子测量器件的问题，1999年，拉斐尔等人提出了一种基于光宏观特性的量子密钥分发协议，属于典型的连续变量类协议，降低了量子密钥分发的成本；为了解决密钥分发系统中，由于探测器的安全漏洞而存在的粒子分束攻击等问题，KU-LIKSP等人提出了基于诱骗态的MDI-QKD协议，该协议与测量设备无关，推动了量子密钥分发技术由理论向应用的发展。

2.2量子隐形传态协议

量子隐形传态是基于量子纠缠等量子力学基本原理，不发送实际粒子，仅通过发送量子态的概率，就可以将发送方粒子的未知量子态，在接收方粒子上呈现出来。量子隐形传态可以划分为分离变量类、连续变量

类和兽孔变量类等类型。1993年，BENNETT CH和BRASSARD G等人基于Bell态联合测量，提出了人类历史上第一个量子隐形传态方案，属于分离变量类；1998年，KIMBLE等人针对分离变量类协议存在探测效率低的问题，提出了一种连续变量类协议，提高了量子态的探测可靠性；2000年，ZHOU J等人提出了一种必须在通信双方和第三方都同意时，才能进行量子态隐形传递的协议，提高了通信的可控性；2008年，JUNG E等人基于三粒子态和W态，提出了单量子比特的隐形传态，进一步丰富和发展了量子隐形传态协议。

2.3量子秘密共享协议

量子秘密共享是基于量子纠缠等量子力学基本原理，将秘密信息进行编码、分发和共享。量子秘密共享主要分为单光子类、最大纠缠态类和纠缠纯态类等类型。1999年，SHAMIR A提出了人类历史上第一个量子秘密共享协议一HBB协议。HBB协议允许通信多方安全地共享秘密信息并相互制约；2009年，GAO G提出了基于双光子三维Bell态量子秘密共享协议，解决了大容量的量子秘密共享问题；LI HCM在GAO G等人的基础上，提出了改进型双光子三维Bell态量子秘密共享协议，基于诱骗态，提高了窃听检查效率。

3量子通信应用研究

量子通信应用研究主要基于已有的量子通信协议和量子通信工程技术研究成果，研究和构建实用化量子通信系统，是量子通信研究的落脚点。量子通信应用研究主要包括量子通信链路构建研究、量子通信网络构建研究和量子通信系统构建研究三方面。量子通信链路构建研究主要是搭建量子通信实验环境，构建量子通信链路，解决点对点量子通信问题；量子通信网络构建研究主要是研究量子通信网络架构，以及基于量子通信链路，研究构建量子通信网络，解决多用户点对多点之间的量子通信问题；量子通信系统构建研究面向应用，基于量子通信网络，构建实用化的量子通信系统，解决量子通信的实际应用问题。

4结论

通过对量子通信技术及应用研究现状进行分析可知，量子通信自20世纪80年代诞生以来，发展迅猛。量子通信理论研究相对比较成熟，能够为量子通信技术的应用研究奠定了理论基础；量子通信工程技术研究进展迅猛，当前已经取得了一定成绩，但是距离技术成熟落地尚有一定距离；量子通信应用研究，目前正处于蓬勃发展阶段，世界各国为抢得量子通信先机，普遍加大了对量子通信应用的研发和建设投入力度，争抢占领量子通信制高点，取得先发优势。

参考文献

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