量子通信技術原理與發(fā)展前景分析

訊石光通訊網(wǎng) 2015/8/12 15:13:26

  ICCSZ訊   隨著電子商務、移動支付和互聯(lián)網(wǎng)金融等新興業(yè)務的蓬勃發(fā)展,通信與網(wǎng)絡技術的觸角已經(jīng)深入到社會經(jīng)濟生活的各個角落,人們對網(wǎng)絡的依賴越來越強,網(wǎng)絡極大地改變了人們的生存模式,已成為人們?nèi)粘I钪胁豢扇鄙俚囊徊糠?但是網(wǎng)絡帶給人們便利的同時,網(wǎng)絡安全問題也日益凸顯,盡管在網(wǎng)絡中保障網(wǎng)絡安全的各種設備和新技術已經(jīng)層層部防,但是諸如12306網(wǎng)站包含用戶身份證及密碼信息的數(shù)據(jù)泄露、快遞1400萬信息外露、2014年的1·21我國互聯(lián)網(wǎng)DNS大劫難等等網(wǎng)絡安全問題頻頻出現(xiàn),這些不斷曝光的監(jiān)控竊聽丑聞和用戶隱私泄露事件進一步加劇了人們對于網(wǎng)絡信息安全的憂慮與關注,有沒有一種技術可以有效解決網(wǎng)絡安全問題?量子通信技術具有極高安全性、通信容量大、傳輸速度快等優(yōu)點,可以完成傳統(tǒng)通信不能完成的特殊任務,利用無法破譯的秘鑰技術,實現(xiàn)了真正意義上的安全保密通信,近年得到了世界各國科學家的密切關注和深入研究,是通信技術的又一次革命。

  1、量子通信的基本原理

  1.1基本概念

  量子通信是利用量子相干疊加、量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型通信技術,由量子論和信息論相結合而產(chǎn)生。從物理學角度看,量子通信是在物理極限下利用量子效應現(xiàn)象完成的高性能通信,從物理原理上確保通信的絕對安全,解決了通信技術無法解決的問題,是一種全新的通信方式。從信息學角度看,量子通信是利用量子不可克隆或者量子隱形傳輸?shù)攘孔犹匦?,借助量子測量的方法實現(xiàn)兩地之間的信息數(shù)據(jù)傳輸。量子通信中傳輸?shù)牟皇墙?jīng)典信息,而是量子態(tài)攜帶的量子信息,是未來通信技術的重要發(fā)展方向。

  1.2 量子通信的主要組成部分

  量子通信主要由量子密鑰分配( QKD,Quantum Key Distribution)、量子隱形傳態(tài)(Quantum Teleportation)、量子安全直接通信(QSDC,Quantum Secure Direct Communication) 、量子機密共享( QSS,Quantum Secret Sharing) 等4個方面。

  1.2.1量子密鑰分配( QKD)

  量子密鑰分配以量子態(tài)為信息載體,基于量子力學的測不準關系和量子不可克隆定理,通過量子信道使通信收發(fā)雙方共享密鑰,是密碼學與量子力學相結合的產(chǎn)物。QKD 技術在通信中并不傳輸密文,只是利用量子信道傳輸密鑰,將密鑰分配到通信雙方?;赒KD 技術的保密通信系統(tǒng)架構如下圖

  

 

  基于QKD的量子保密通信系統(tǒng)

  目前,各國學者在理論上已經(jīng)提出了幾十種量子密鑰分配方案,根據(jù)信號源的不同大概可分為三類:基于單量子的量子密鑰分配方案;基于量子糾纏對的量子密鑰分配方案;基于單量子與量子糾纏對的混合量子密鑰分配方案。

  1.2.2量子隱形傳態(tài)

  量子隱形傳態(tài)(Quantum Teleportation)又稱量子遠程傳態(tài)或量子離物傳態(tài),是利用量子糾纏的不確定特性,將某個量子的未知量子態(tài)傳送到另一個地方,然后將另一個量子制備到該量子態(tài)上,而原來的量子仍留在原處。其基本原理是利用量子糾纏對的遠程關聯(lián),通過對其中一個糾纏量子和某一個未知量子態(tài)進行一些本地測量,實現(xiàn)這個未知量子態(tài)在另一個糾纏量子上再現(xiàn)出來。量子態(tài)傳送過程是隱形的,通信過程中傳輸?shù)闹皇潜磉_量子信息的“狀態(tài)”,而并不傳輸作為信息載體的量子本身,通信沒有經(jīng)歷空間與時間,不發(fā)送任何量子態(tài),而是將未知量子態(tài)所包含的信息傳送出去。

  1.2.3量子安全直接通信(QSDC)

  量子安全直接通信是指通信雙方以量子態(tài)為信息載體,基于量子力學相關原理及量子特性,利用量子信道,在通信收發(fā)雙方之間安全地、無泄漏地直接傳輸有效信息,特別是機密信息的通信技術。

  QSDC是量子通信技術的一個重要分支,主要用于直接傳輸機密信息。通信的收發(fā)雙方無需事先建立安全密鑰,就可以直接通過量子通道進行信息傳輸。QSDC與量子密鑰分發(fā)的根本區(qū)別在于在量子信道中直接傳遞秘密信息,安全性要求比量子密鑰分配高,但總體而言,QSDC方案還存在非實時及其量子信道信息所需要的糾纏態(tài)、量子存儲等技術還不成熟的問題。

  1.2.4量子機密共享(QSS)

  量子機密共享是傳統(tǒng)的機密共享在量子通信中的運用和發(fā)展,傳統(tǒng)的機密共享旨在對重要的密鑰進行安全保護,使即便部分或全部密鑰被第三方竊取也難以恢復出真實的密鑰。其主要實現(xiàn)思路是,將原始密鑰分割成多份,然后將多份密鑰分別發(fā)給多個用戶,每個用戶都只能獲取一份或多份密鑰份額,只有在多個密鑰分享者合作下,才能恢復出原始的密鑰,不能滿足上述條件的共享者將無法得到全部的密鑰。通過使用機密共享方案,可以在分享機密信息的同時,防止不誠實用戶的破壞企圖。

  量子機密共享是多個通信方之間通過多量子糾纏態(tài)實現(xiàn)的量子通信,但現(xiàn)實應用技術難度大,還基本處在理論研究階段。1999年,Hillery,Buzek和Berthiaume提出了首個量子機密共享方案,隨后,各國學者又相繼提出了大約十幾種理論方案,包括共享一個未知態(tài)的一些方案,并于2001年在實驗上進行了演示。

  1.3量子通信的體系架構

  

 

  量子通信系統(tǒng)體系架構

  量子通信系統(tǒng)的基本模型如上圖所示,其中,量子信源:以盡可能少的量子比特來表示輸入符號,從而將要傳輸?shù)男畔⑥D(zhuǎn)化成量子比特流;量子編碼器:對量子比特流進行編碼,達到數(shù)據(jù)壓縮或加入糾錯碼對抗噪聲的目的;量子調(diào)制器:使量子信號的特性與信道特性匹配;量子解調(diào)器:通過量子操作得到調(diào)制前的量子信息;量子傳輸信道:傳送量子信號的通道;輔助信道:經(jīng)典信道及其它附加信道;量子信道噪聲:環(huán)境對量子信號影響的等效描述;量子譯碼器:把量子比特轉(zhuǎn)化成經(jīng)典信息;量子信宿:量子信息的接收方。目前,在量子通信系統(tǒng)的實際應用中,一般采用“量子信道+輔助經(jīng)典信道”的方式完成非理想的量子密鑰分發(fā)或量子密碼通信,在經(jīng)典信道輔助下,通信雙方利用量子信道實現(xiàn)量子信息的交互和同步,獲取量子密鑰。

  2、量子通信技術的特點與優(yōu)勢

  量子通信與傳統(tǒng)通信技術相比,具有如下主要特點和優(yōu)勢:具有極高的安全性和保密性,根據(jù)量子不可克隆定理,量子信息一經(jīng)檢測就會產(chǎn)生不可還原的改變,如果量子信息在傳輸中途被竊取,接收者必定能發(fā)現(xiàn),量子通信沒有電磁輻射,第三方無法進行無線監(jiān)聽或探測;時效性高傳輸速度快,量子通信的線路時延近乎為零,量子信道的信息效率相對于經(jīng)典信道量子的信息效率高幾十倍,并且量子信息傳遞的過程沒有障礙,傳輸速度快;抗干擾性能強,量子通信中的信息傳輸不通過傳統(tǒng)信道,與通信雙方之間的傳播媒介無關,不受空間環(huán)境的影響,具有完好的抗干擾性能,同等條件下,獲得可靠通信所需的信噪比比傳統(tǒng)通信手段低30~40dB;傳輸能力強,量子通信與傳播媒介無關,傳輸不會被任何障礙阻隔,量子隱形傳態(tài)通信還能穿越大氣層,既可在太空中通信,又可在海底通信,還可在光纖等介質(zhì)中通信。

  3、量子通信的發(fā)展前景分析

  目前的量子通信技術開發(fā),各個主要國家投入重金大力進行研究,我國目前在量子通信領域處于世界前列,取得了豐碩的成果,部分領域甚至是世界領先,在量子通信領域的研究我國已經(jīng)占得重要的一席之地,未來量子通信必將助力為我國經(jīng)濟快速發(fā)展。

  量子通信具有絕對安全保密性,量子隱形傳態(tài)甚至還具有無障礙傳輸通信能力,量子通信的這些優(yōu)良特性決定了其具有廣闊的無法估量的應用前景,隨著我國以及國外對信息安全的高度重視和對通信速率的旺盛需求,具有安全可靠和高速傳輸優(yōu)勢的量子通信,將是未來網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的主流通信技術,是未來通信技術的一次偉大的革命,必將改變未來信息產(chǎn)業(yè)的格局。

  目前,量子通信的基本理論和和框架已經(jīng)形成,在單光子、量子探測、量子存儲等量子通信關鍵技術獲得發(fā)展和突破條件下,各種理論體系正日趨完善,量子通信技術已經(jīng)從科研階段逐步進入試點應用階段;量子通信的絕對保密性也決定了其在軍事、國防、金融等領域有著廣闊的應用前景,隨著技術日趨完善和成熟,在未來的大眾商業(yè)市場中,量子通信將具有極大的應用潛力。

  量子通信應用試點逐步開展,國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)化趨勢已經(jīng)形成,量子密鑰分發(fā)保密通信的高安全性所蘊含的戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟價值廣受政府、學術界與產(chǎn)業(yè)界的重視,近年來試點應用和產(chǎn)業(yè)化呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢;量子通信的試點應用催生了一批由科研機構孵化的量子技術科技產(chǎn)業(yè)實體,能夠提供初步商用化的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)器件、終端設備和整體應用解決方案,進行量子保密通信前沿研究成果向應用技術和商用化產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化,國家對于量子通信的專項投入和政策扶持為其快速發(fā)展注入了強勁動力。

  未來量子通信將與現(xiàn)有通信深度融合,實際的量子通信中,量子通信與現(xiàn)有通信的融合是一個相互取長補短的過程,量子通信不會完全替代現(xiàn)有的通信技術,而是在現(xiàn)有的技術上,在物理層、網(wǎng)絡層、應用層將兩者進行融合。

  4、量子通信的發(fā)展策略建議

  量子通信是關系到我國信息安全的戰(zhàn)略性技術和產(chǎn)業(yè),發(fā)展?jié)摿薮?,要推進量子通信技術逐步完善以及實際實用,不能僅依靠幾所高校、科研院所和幾家企業(yè)來完成,需要相關政府部門、行業(yè)甚至相關社會力量廣泛參與。根據(jù)我國目前量子通信的實際發(fā)展情況,提出如下發(fā)展建議:

  首先, 政府及相關機構要加對大量子通信相關研究的投入,保持對量子通信相關研究的大力投入,尤其在量子通信技術還需要繼續(xù)完善的技術研發(fā)上,重視對量子通信理論、實現(xiàn)方法及相關終端等器件的研發(fā),以保持我國在量子通信研究上的持續(xù)領先優(yōu)勢;進一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性,解決量子通信設備的小型化和輕量化問題,降低相關設備的制造和運行成本,使最新量子通信研究成果在實際系統(tǒng)中及時得到轉(zhuǎn)化并得到普及應用。

  其次,要重視量子通信的相關專利和標準編寫,隨著量子通信技術和產(chǎn)品逐漸進入商業(yè)化運作,相關的知識產(chǎn)權和技術標準已成為不容忽視的問題。鑒于以往我國信息產(chǎn)業(yè)在專利或標準之爭中得到的深刻教訓,應重視量子通信相關技術和產(chǎn)品的專利申請及標準制定問題,組織相關領域?qū)<伊α浚M行整體安排和部署,以最大限度地保障國家知識產(chǎn)權利益。

  最后,對于已經(jīng)成熟的量子通信技術,要加快其在實際當中的應用,前期要區(qū)分對象推廣應用,量子通信最大的優(yōu)勢在于“防竊聽”、“一次一密”、“絕對安全”,因此最適合于政府、銀行、金融證券、大型企業(yè)集團等保密通信要求較高的場合。而對于一般應用場合或普通公眾來說,量子通信的高保密性與傳統(tǒng)通信的高效、便捷、低成本且相對安全的特點相比,目前來說也許并非最佳的選擇。因此,對于量子通信產(chǎn)品的提供者來說,應該緊密圍繞市場需求進行應用推廣和市場宣傳。同時,也應根據(jù)民用通信安全的需求開發(fā)出成本更低廉、使用更便捷的產(chǎn)品,在解決目前重要部門通信安全的急需后逐步向廣闊的民用市場輻射。

新聞來源:C114

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