量子通信技术概述

在目前信息爆炸的时代，如何才能保障信息安全呢？如果我们的通信能被任意截取，那我们还能信任通信安全吗？当我们在购物时，如果我们的支付密码一旦被不法分子截获了，那将对我们造成巨大的经济损失。尽管随着科技发展，安全等级在逐渐提高，但是我们的通信安全仍然受到了很严峻的考验。这只是属于民用领域，当我们着眼于军事领域，我们会发现通信安全更为重要。如果一国的军事机密被他国截获了，那影响的就是整个国家的安危。通信密码的截获，很可能导致整个世界战局的转变。总之，目前的通信安全形势非常严峻，目前已有的密钥技术从理论上讲是都能被破译的。而量子通信具有观测不确定性，从理论上讲是不可能被截获的，这引起了大家的关注与研究。量子通信就在这样的时代背景下应运而生。

本文将对量子通信的发展历史、量子通信的主要技术原理、量子通信的应用现状以及量子通信的发展前景进行论述。

1 量子通信的发展历史

从古至今，人类一共经历了五次信息技术革命。第一次革命创造出了语言，第二次出现了文字，第三次发明了印刷术，第四次普及了有线以及无线的通信，第五次让电子计算机得到了普及使用。为了保证安全，人们设计了许多加密技术。其中，近代的加密技术包括换位加密法和对称加密法，现代的包括对称加密法和非对称加密法。换位加密法就是将明文以特定的规则进行位置的替换。例如：明文为“ABCDE”。该明文经过换位加密法换位后会变成“BDCAE”。替换加密法是用其他字母或符号代替明文中的字母。先要按照一定顺序制成一个密码表，然后将明文按照该顺序进行替换。就如著名的凯撒密码一样，将明文用它之后的第三个字母替换得到密文。对称加密算法是指加密和解密使用相同的密钥。它的优点是计算量小且加密速度快，但是它也有缺点，因为双方都需要使用相同的密钥，所以当接收者更换后，为确保安全，必须将密钥全部更换。非对称加密算法则是将加密密钥分为两部分——公钥和私钥。两钥匙完全匹配，如果用公钥进行信息加密，就只有对应的私钥才能解密。因为目前只有通过穷举法才能破解，且工作量巨大，所以这是目前最安全的加密算法。但是其缺点是加密速度过慢，不适合广泛使用。然而这几类加密算法从理论上讲都是可以被破译的，这就造成了安全隐患，其造成的财产损失也不可胜数，不安全的加密通信所存在的隐患很大。而在20 世纪普朗克建立量子物理学以来，带来了量子信息革命，继而出现了量子通信，从而保证了信息通信的安全[1]。

2 量子通信的主要技术原理

2.1 量子测量理论

我们现在假设某一空间中有两个电子，它们的状态是随机的。当它们靠得足够近时，它们可能会发生一种变化，它们会释放出一个光子，同时两个电子会进入纠缠状态。在宏观世界，一个物体是存在客观的状态的。但不同于宏观世界，在微观世界中，在测量它之前是不存在客观状态的，这也就造成了量子状态的无法复制[2]。

2.2 量子通信过程

首先，甲和乙对依次收到纠缠光子对进行处理，同时随机选取角度（零度或45 度）的偏振片对光子进行筛选，看是否能通过得到一组数据。之后双方进行数据的比对，将不相同的数据舍去，当只剩下相同的数据时，就组成了只有双方知道的密钥。然后双方交换部分密钥，检验是否相符。如果相符，则最后就可使用经典途径进行交流。

2.3 密钥防泄露机制

在上一点中讲到，只有在保证数据相符的情况下才能使用经典途径进行交流，可如果比对后发现不相符，就可以证明有人在进行监听。原因是粒子的量子状态是随机的，任何人在拦截了一列光子后，都无法复制完全相同的一列光子。所以从理论上来讲，量子通讯是绝对安全的[3]。

3 量子通信应用现状

3.1 实验层面

由于量子通信技术属于科学界较前沿的研究领域，所以大部分成果都停留在理论和实验阶段。在实验层面，国内外都已经得到了较多的成果。本章将对国外和国内取得的部分实验成果进行阐述。

国外：1993 年，英国实现了10 公里的量子分发技术，这是量子通信的里程碑事件，量子通信实现了零的突破。到了2004 年，日本可以实现长达150 公里的量子密钥分发。经过不断的发展，在2008 年量子密钥分发距离达到了1 500 公里，进而实现了地球卫星的量子通信。

国内：1995 年，我国首次使用BB84 协议完成演示实验。2005 年，我国完成了京津间125 千米的光纤量子通信实验。到了2013 年，我国将其距离提高到了上千千米，实现了远距离地对地量子通信。随后到了2016 年，我国发射了全球首颗量子通信卫星，实现了地对空量子通信[4]。

3.2 落地应用

随着量子通信技术的研究和发展，不仅取得了较多实验成果，还发展了许多落地应用。量子密码分配技术是其中之一。在2004 年，世界首个量子密码分配网络于美国诞生。同年，该网络被瑞士投入商业化。我国于2012 年也建立起了中国第一个量子密码分配的网络[5]。

4 量子通信发展前景

量子通信技术还处于初步发展阶段，所以它的应用前景十分广阔。凭借其极高的安全性，企业可将其用于个人私密信息的保护，比如个人的身份信息和各种账号与密码。这将给企业带来极高的信任度，从而赢得收益。当涉及到军事领域，其应用前景将更为广阔。比如说深海安全通信。深海安全通信一直是一个世界性难题，由于深海环境复杂多变，常规短波通信方式极易收到干扰，所以只能使用长波通信。但是由于长波通信距离与天线长度呈正相关，这意味着要想实现远距离深海通信，就得建造够长的天线。这就导致深海通信的成本过高，显得性价比过低。由于量子通信对传播介质没有要求，所以在深海的复杂环境中，量子通信依然能稳定进行。量子通信完美的解决了深海通信的环境问题，成为未来深海通信的首选。如果这项技术能够成功落地，那将对军事领域给予极大的安全性保障。再比如说国家领导人之间的私人谈话。如果私人谈话的内容被截获，那将对国家造成巨大的安全隐患，所以可靠的量子通信成为迫切需要。在载人航天领域，量子通信同样需要。目前人类已实现登月。但当人类踏上火星，甚至离开太阳系，宇航员的通信该如何保障？在外太空存在各种射线的环境下，稳定的通信该如何保障？这时就需要量子通信的支持了[6]。

5 结语

本文对量子通信的发展历史、技术介绍、应用现状和发展前景进行了简要介绍。量子通信凭借着它的安全性和不可侦测性，正在逐渐受到业界的青睐。目前已经在军事领域、安全保密领域、复杂环境下的通信有了初步的应用。但就目前的情况看来，量子通信大多数的研究成果还停留在实验室的研发阶段。其学术层面和实际应用层面还存在着较大的差距，还有较大的发展空间。因此，在未来量子通信的发展应当更多聚焦于实际的应用领域，让量子通信的技术优势汇集到社会的各个方面，甚至汇集到寻常百姓家中，让生活中的通信更加安全、可靠与便捷。