时间：2023-05-30 09:03:01
量子通信是利用量子力学基本原理进行信息传递的一种新型通信方式。理论上，量子通信可实现无条件安全的链路数据传输，被认为是保障未来通信安全最重要的技术手段。
量子是微观物理世界中的基本单位，一个最最小的单元。量子理论主要包括量子测不准原理和量子纠缠。
早在 1927 年，德国科学家海森堡就提出了量子测不准原理。在现代科学认知中，几乎任何已知事物都是可测的，但量子是个例外。以制造硬币为例，制造硬币的基本前提是测定模板、再行复制。但在量子世界，这枚“硬币”是不确定的，你根本没法测量它，量子一旦被测量，还来不及被复制，它就不是原来那个量子了。
如果将这一原理应用在通信技术上，就是天然的保密通信手段。
在通信中，对方的话通过座机、手机等有线、无线终端，远距离传送到你的耳朵里。如果他人要窃听你们的对话，必须完成这个对话的复制过程。如果这段通话被加密，那么必须先复制到密码，再解密为正常通话。
可以说，一旦通信中的信息和密码用量子来承载，就是不可复制的。
我们把想要保密传输的信息加载到一个个不可能被准确观测和复制的量子上，只要有人在途中打算窃听信息，一“碰”，它的状态就改变了，窃听者拿到的只会是一堆毫无用处的信息。
量子通信另一个核心内容是隐形传输，是利用光子等基本粒子的量子纠缠原理来实现保密通信的。在量子力学里，两个粒子在经过短暂时间彼此耦合之后，单独搅扰其中任意一个粒子，会不可避免地影响到另外一个粒子的性质，尽管两个粒子之间可能相隔很长一段距离，这种关联现象被称为量子纠缠。
在量子通信系统中，信息的发送方和接收方共享两个存在纠缠关联的光子。当发送方将信息赋予一个光子时，接收方的纠缠光子就会几乎同时发生一致的变化，瞬间完成信息的传输，从根本上杜绝了被窃听、被截获的可能。
量子通信在军事、国防、金融等信息安全领域有着重大的潜在应用价值和发展前景，还可用于涉及秘密数据、票据的电信、证券、保险、银行、工商等领域和部门。
近年来，网络信息安全问题日益加剧了人们的忧虑和关注，传统保密通信技术自身的安全性正面临挑战。量子通信作为能够提供无条件安全性保证的高效信息安全解决方案受到世界各国政府、学术界和产业界的广泛关注。中国在量子通信领域研发起步早，技术积淀较深，目前已走在世界前列。
5月9日，中国科学院院士、中科大常务副校长潘建伟出席“新未来人工智能论坛”时表示，量子通信卫星将按照原定计划在7月份发射。如果此次卫星成功发射，中国将在全球首次实现卫星和地面之间的量子通信，结合地面已有的光纤量子通信网络，将初步构建广域量子通信体系。
美国媒体认为，中国的量子科学实验卫星（QUESS） 并不仅仅是一个科学实验项目，实际上中国已经成为了全球量子通信技术的领先者，量子科学实验卫星将成为把尖端科技转化为中国在全球范围内战略资产的基石。
据潘建伟介绍，2000公里量子保密通信“京沪干线”也将在今年年底建成。3月17日，我国“十三五”规划纲要正式，“量子通信与量子计算机”被列入国家科技创新2030重大科技项目，未来5年，我国将着力构建量子通信网络。
量子通信是什么
作为与相对论并列的现代物理学基石，量子论是20世纪最伟大的理论之一，但其神奇之处也让很多人“难以理解”。“量子世界像骰子一样难以预测，迄今还没有谁敢说了解它，任何科学探险都不如量子之旅惊险和神奇。”中科院自然科学史研究所研究员董光璧说。
量子有很多奇妙的特性，比如在量子通信中起着重要作用的“量子纠缠”，曾被爱因斯坦等科学家称作“幽灵般的超距离作用”。美国科学家、诺贝尔物理学奖获得者弗兰克・维尔切克曾用《格林童话》中《两兄弟》故事打比方：“量子纠缠”就像一对有“心灵感应”的双胞胎，长得分不清彼此；他们也心灵相通，即便天各一方，弟弟有难，哥哥即刻得知。
目前，量子密钥分发和量子隐形传态都被称为量子通信。量子密钥分发可以建立安全的通信密码，通过一次一密的加密方式实现点对点方式的安全经典通信。
具体做法是用弱相干光源发射光子，因为弱相干光源弱到一定程度，光子是一个一个往外蹦的，以此代替单光子源。把一个信息编码在一个光子上，一个光子有着不同的量子态，代表着0和1，把光子通过光纤发射过去，接收方接到密钥后进行解码。
本质上说，量子密钥分发其实依旧依托于光纤通信，而单光子具有不可分割性是量子密码安全性的物理基础，因而量子密钥分配并非颠覆经典通信，更像是给经典通信增加了一把量子密码锁。
现有的量子密钥分发技术可以实现实验室状态下200公里以上的量子通信，再辅以光开关等技术，还可以实现量子密钥分发网络。目前，开始产业化的是量子密钥分配，而不是量子隐形传态，比如北京到上海的量子通信干线、沪杭量子通信干线、陆家嘴量子通信金融网等都属于量子密钥分配。
量子态隐形传输是基于量子纠缠态的分发与量子联合测量（量子纠缠是指两个量子态具有相干性或处于关联状态，量子纠缠态分发是指制备纠缠粒子对，将不同的粒子对发往不同的地方），在经典通信的辅助下实现量子态的空间转移而又不移动量子态的物理载体。
据潘建伟介绍，量子隐形传态技术具备不可分割、不可克隆的特性，可以抵御窃听密钥的分发，确保通过其加密的内容不可破译。2015年，中科大潘建伟团队在世界上首次实现多个自由度的量子隐形传态，成果被评为国际物理学十大突破之首。“如果我们带着一个保险箱去北京开会，而保险箱的钥匙落在合肥，合肥的同事可以通过量子隐形传态将钥匙每一个特征都精确传送到北京，而在此过程中他并不掌握这把钥匙的任何信息。这在经典世界中是不可想象的。”潘建伟说。由于在该领域的杰出贡献，2016年1月，潘建伟团队的“多光子纠缠及干涉度量”获国家自然科学奖一等奖。
早在1997年，潘建伟团队就在世界上首次实现量子态的传输，也正是他们的探索，促使量子科技更快地应用于通信领域。在新中国成立60周年阅兵、纪念抗战胜利70周年阅兵等关键节点，潘建伟团队构建的量子通信热线均为信息传送提供了重要安全保障。
目前，国内主攻量子通信技术的有潘建伟院士带领的团队和郭光灿院士带领的团队，两个团队在研究量子通信方面呈现你追我赶的架势。中国虽然在量子隐形传态技术上走在世界的前列，但现在仅仅是技术突破，离产业化还比较遥远。而量子密钥分发经过近30年的发展，从理论协议到器件系统初步成熟，目前已有小规模的试点应用和初步产业化趋势。以量子密钥分发为基础的量子保密通信成为未来保障网络信息安全的一种非常有潜力的技术手段，是量子通信领域理论和应用研究的热点。
应用前景有多广
作为保障未来信息社会通信安全的关键技术，未来10年内，量子保密通信有望走向大规模应用，在电子政务、电子商务、电子医疗、国防军事、生物特征传输和智能传输系统等各领域大显身手。
专家预言，随着光量子通信技术的不断发展和完善，该技术将被大量应用于武器装备系统之中，使得战场侦察探测、指挥控制、通信网络、武器控制能力得到全面提升。目前，光量子通信研究已成为各军事大国重点发展的战略性高科技，在军事上有着灿烂前景。
除了国防军事领域，商业应用也用不了多久。潘建伟说，在不久的将来，量子通信就能进入千家万户。希望通过十年左右的努力，将来每个人在互联网上进行的转款、支付等消费行为，都能够享受到量子通信的安全保障。
当然，这还需要其在产业化和广域量子通信网络方面实现进一步突破。郭光灿认为，量子通信极强的保密性是基于量子密钥技术而实现的，密钥也是基于量子的特殊性而研发的，而其他通信方面的技术与传统经典通信差异不大。从目前的实际应用来看，将量子通信网络与现有电子通信网络进行融合是最优的发展战略。
而在构建广域乃至全球范围的量子通信网络体系方面，从各国战略计划看，无论是美国政、企、校联合展开研制的量子互联网，还是欧盟联合12成员国发展的基于量子中继和卫星的自由空间量子通信链路，亦或是日本计划到2040年建成极限容量、无条件安全的量子通信网络，各国誓要抢占量子通信未来制高点的意图已经明朗。
按照计划，2016 年，我国将先于欧美发射全球首颗量子科学实验卫星，2020 年实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发，2030 年建成全球化量子通信网络。
据量子卫星工程常务副总工程师兼卫星总指挥、中科院上海技术物理所王建宇研究员介绍，量子卫星将装载我国自主研发的星地量子通信设备。它能产生并发送光子，地面系统则负责接收。这种“发球、接球”需要解决超高精度的瞄准、捕获和跟踪难题，仿佛在空间尺度下、在穿越大气层后“针尖对麦芒”。
城域、广域，再到天地一体，是中国科学家的规划目标。业内人士介绍，量子科学实验卫星上天后，可以实现高速星地量子通信，连接地面的城域量子通信网络，初步构建我国广域量子通信体系；“京沪干线”是连接北京、上海的高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络，中间还有合肥、济南等重要节点。其中，2012年建成的合肥城域量子通信网，4 年来运行良好，通信正确率达99.6%，超过目前的移动通信水平。
量子通信应用前景广阔。2月24日，科技部部长万钢在国新办新闻会上表示，我国新的科技计划体系将对面向未来的量子通信等方面基础研究进行重点支持。市场人士认为，中国在量子通信技术研究、产业应用方面处于国际领先地位，未来一旦实现更多技术突破，其市场空间将非常广阔。
中国科学技术大学科技传播与科技政策系副教授褚建勋表示，中国政府正在加快打通科技与经济结合的通道，让科技成果为社会服务，跟市场接轨，解放科技生产力，帮助解决社会问题。“在包括量子通信在内的先进科技成果转移转化的过程中，中国新的经济增长点将越来越清晰地呈现出来。”褚建勋说。
产业化应用起步
量子密钥分发保密通信的高安全性所蕴含的战略意义和经济价值备受各国政府、学术界与产业界的重视，近年来试点应用和产业化呈现快速发展趋势。
2003年，美国DARPA资助哈佛大学建立了世界首个量子密钥分发实验系统和量子保密通信组网应用。此后，欧美日多国相继建成了瑞士量子、东京QKD和维也纳SECOQC等量子保密通信实验网络，演示和验证了城域组网、量子电话、选举投票保密等方面的应用。2013年，美国独立研究机构Battelle公布了环美量子通信骨干网络项目，计划采用分段量子密钥分发，结合安全授信节点进行密码中继的方式为谷歌、微软、亚马逊等互联网巨头的数据中心之间的通信提供量子安全保障服务。
国内的量子保密通信试点应用起步稍晚但发展迅速。2007年中科大在北京打通了国内首个光纤量子电话，之后相继在北京、济南、安徽芜湖与合肥等地建立了多个城域量子保密通信示范网、金融信息量子保密通信技术验证专线以及关键部门间的量子通信热线。2014年，量子保密通信京沪干线项目通过评审并开始建设，计划建成北京和上海之间，基于安全授信节点密码中继，距离超2000公里的国际首个长距离光纤量子保密通信骨干线路。
量子通信的试点应用催生了一批由科研机构孵化的科技产业实体。其中具有代表性的包括美国MagiQ公司和瑞士IDQ公司等，能够提供初步商用化的量子密钥分发系统器件、终端设备和整体应用解决方案。在国内，中科大在量子通信产业化方面表现突出，其衍生与合作建立了安徽量子通信技术有限公司、安徽问天量子科技股份有限公司和山东量子科学技术研究院有限公司，进行量子保密通信前沿研究成果向应用技术和商用化产品的转化，国家对于量子通信的专项投入和政策扶持为其快速发展注入了强劲动力。
由于安全高效的特性，量子通信在国防、保密、金融等领域有着巨大需求。兴业证券分析师指出，以国防领域为例，量子通信可以应用于通信密钥生成与分发系统，构成作战区域内机动的安全通信网络，能用于改进光网信息传输保密性，由此提高信息保护和信息对抗能力，也能应用于深海安全通信领域，为远洋深海安全通信开辟新途径。
2015年10月，浙江神州量子网络科技有限公司宣布投入1.7亿元，建设“杭沪量子商用干线”。这是国内首条量子通信商用干线，建成后可实现沪杭区域内政府、企业、金融机构等通信数据的加密传输。
在金融领域，工商银行已成功应用量子通信技术实现其北京分行电子档案信息在同城间的加密传输。这也是量子通信技术在国内银行业的首次成功应用。工商银行相关负责人表示，为进一步提升信息安全水平，工行联合中国科学技术大学实施了“量子保密通信京沪干线技术验证及应用示范项目”，同时开展北京、上海同城及京沪异地千公里级量子通信金融应用落地工作。
阿里巴巴旗下阿里云与中科院旗下国盾量子于2015年10月联合了量子加密通信产品。这也是量子安全通信产品首次落地公共云领域。中信证券分析师陈剑指出，这标志着“云+量”作为基础设置与服务开始面向更广泛领域进行应用。
作为通信技术的未来演进方向，量子通信业终将进入广域网、城域网等公网市场。据陈剑测算，预计2020年国内量子通信市场规模将达210亿元。其中，专网市场105亿元，公网75亿元，其他领域30亿元；预计2020年国内量子通信设备领域市场规模为30亿元，建设运维领域规模为30亿元，运营市场规模将达150亿元。
诱人的市场前景吸引了众多参与者，量子通信产业链生态正在逐渐形成。以三力士为例，公司拟出资6000万元，设立山西三力士量子通信网络有限公司，推动量子保密通信网、云计算等战略新兴产业的落地和产业化。
2015年7月，中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室宣布成立。该实验室结合阿里巴巴在计算算法、架构和云计算方面的技术优势，以及中科院在量子计算和模拟、量子人工智能等方面的优势，探索下一代超快计算技术。
此外，中科院牵头，联合中科大、科大国盾量子技术股份有限公司、阿里巴巴（中国）有限公司、中国铁路网络有限公司、中兴通讯股份有限公司、北方信息技术研究所等单位发起成立了中国量子通信产业联盟。
陈剑指出，量子通信产业链主要包括元器件、设备、建设运维、运营应用四个环节。其中，元器件方面大部分与传统通信所使用的没有太大的差异。但核心器件，如单光子探测器仍主要依赖进口，近距离设备国产可大致代替进口，而长距离设备需要一年或更长时间实现进口替代。
中游核心设备包括量子网关和量子交换机，国内的科大国盾掌握了部分核心技术；问天量子等机构也在参与其中，研发量子通信核心设备，推动产业发展。
【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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关键词量子；墨子号；量子通信卫星；量子通信
2016年8月16日凌晨1时40分，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”由我国酒泉卫星发射中心成功发射。全国人们为此欢呼雀跃，各大媒体也争相报道这一科研壮举。目前，我国已经成为世界上首个实现太空一地面量子通信的国家，然而对于普通人来说基于量子物理学发展而来的量子通信技术依然是晦涩难懂的深奥科学。那么，我们便基于量子卫星的发射来谈一谈量子卫星所涉及的基本科学问题。
1量子卫星
1.1量子卫星“墨子号”名称的由来
在我国古代，墨子先生不仅创立了墨家学说，更是在传世的《墨经》一书中提出了“光学八条”的理论。在“光学八条”中不仅描述了我国古代人民对光线的认识，也设计出了我国最早的小孔成像实验，这是我国有关光学研究的基础。为了纪念墨子先生，我国发射的全球首颗量子科学实验卫星便被命名为“墨子号”。
1.2“量子”的定义
在1900年，著名的物理学家普朗克为了解释黑体辐射现象提出了一个假设，即黑体辐射的能量只能取某一基本能量的整数倍。基于这一假设，在之后几十年的研究中，研究者们陆续发现其他物理量也表现出了不连续的量子化现象，那么这些物理量中所存在的最小的基本单位便可以称之为量子。量子理论的提出严重地冲击了古典物理学，到20世纪早期，法国物理学家德布罗意便在普朗克
爱因斯坦的光量子论和玻尔的原子论的启发下建立了量子力学理论。量子力学在现代科学技术中的多个领域中均有应用和突出贡献，而量子通信技术也是基于量子力学发展而来的，对未来科学技术和文明的进步具有重要意义。
1.3量子通信
量子通信是利用量子态和量子纠缠效应进行信息或密钥传输的新型通信方式。量子通信的主要目的便是保证信息传输过程中的无障碍传送和信息安全。而在量子通信技术研究之前，人们为了保证传输信息过程中的安全问题，便选择对所传输的信息进行加密。信息加密便是将我们要传输的信息（“明文”）转化成别人不可识别的乱码（“密文”）。在20世纪前中期，信息加密技术依然有其优越之处，也是人们普遍使用的方法。但是，电子计算机的出现使基于特定参数所建立的密钥并不再安全。随着现代电子计算技术的发展，直至量子计算机的研制成功，计算机的能力急剧加强，那么这种基于基本算法的信息加密技术在量子计算机面前形同虚设。为了保障新时代背景下的信息安全，量子通信技术得到快速发展。量子通信是基于早期的对称密码：“一次一密”。一次一密的概念在1917年由Vernam提出，然后于1949年被Shannon证明是无条件安全的。随着量子理论的发展，在1984年，科学家Bennett和Brassard首次提出了第一个实用性的量子密码的通信协议，该协议以两者的名字命名。在其后，美国科学家完成了世界上第一个量子信息传输实验，从此量子通信技术进入了蓬勃发展的时期。在1995年，我国中科院物理所在实验室内完成了试验性质的量子信息传输实验。进入21世纪之后，量子通信技术蓬勃发展，先后实现了远距离信息传输和量子密码传输。
量子通信技术在信息传输的安全性和传输能力上具有极大的优势。首先，在利用量子通信技术传输信息的过程中，由于信息的载体是光量子，而光量子的量子状态是难以截获的，因而利用量子通信传输的信息是不可能被盗取的。在现有的技术条件下，利用量子通信技术传输的信息是无条件安全的。其次，在量子通信过程中，量子态隐形传输技术可以实现无障碍通信。所谓的量子m缠态，便是两个相互纠缠的粒子，当其中一个粒子的状态发生变化时，另一个粒子的状态会立即发生相应的变化。这种无视空间距离的和即时的信息传输能力是量子通信的巨大优势。
1.4量子通信卫星
量子通信卫星是量子通信技术中的重要硬件设施。简单来说，量子通信卫星的作用就是为传输的信息分配密钥。量子通信过程中，负载信息的光量子在传输的过程中会逐渐衰减直至消失，因此光量子的传输存在着距离的限制。一般而言，当光量子在空气中传播100km时，光量子的信号已经难以检测到了。但是，量子通信卫星在太空中进行光量子传输时，光信号在到达地表之前仅仅需要经过10km左右的大气层，地面基站可以轻松地收到量子通信卫星发射的信号。量子通信卫星先向地面基站发送量子密钥，经过比对之后建立绝对不可破译的量子密钥，继而拥有相同量子密钥的两个地面基站，便可以把已经加密的信息通过传统的信息传输方式（如互联网、无线电话等）互相传输，而且所传输的信息也是绝对安全的。量子通信卫星的使用可以实现全球距离的信息传输。
2我国量子通信技术的发展
1）我国国家政策和战略布局高度重视量子通信技术的研究和发展。量子通信技术已被列入国家“十二五”科技发展规划纲要中，属于国家重点发展的具有引领新兴产业发展潜力的前沿技术。
2）我国的量子通信技术布局较早，发展较快，成果也更为显著。早在1995年，中科院物理所便在实验室内完成了我国首个的量子密钥分发实验演示。在其后，我国先后成立了中国科学技术大学量子物理与量子信息研究部、中国科学院量子技术与应用研究中心和中国科学院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心。这些研究中学的成立将会进一步推进我国量子通信技术领域的技术进步，使我国的量子通信技术研究始终走在全球前列。
“墨子号”卫星的发射仅仅是开始，在未来更多的量子卫星将会发射升空，进一步为我国建立洲际量子通信，乃至全球量子通信网络。
关键词：量子保密；通信技术；应用；未来发展
引言
随着信息化时代的到来，人们无时无刻都在接发文字信息、视频信息、电子信息等，给人们的生活、工作、学习和社会各个领域带来了新的改变。为了保障信息通信的安全，防止信息传递过程中存在的泄露风险，采取量子保密通信技术，有效避免信息被攻击破译，保障了信息传递的绝对安全[1]。量子保密通信改变了传统加密通信的局限性和不安全性，解决了存在的安全隐患问题，根据量子力学原理与科学信息技术的有效结合，采用高精度量子测量技术和高精准量子计算技术进行计算、编码和信息传输，发挥了高效安全的通信性能。量子计算利用量子力学规律来调控量子信息单元进行计算，能够进行大规模、多线程地数据处理，具有超强的计算能力和精密的逻辑性[2]。在依靠量子比特工作中，由于量子位存在的并行性、纠缠性和叠加性，量子算法在进行问题处理时就能够做出传统计算无法比拟的超强处理能力，实现超高精度、超高速度的工作效率[3]。随着国内外量子信息技术科技的发展，针对现有公钥体系在单向计算时存在的易被攻击威胁，造成信息发生泄漏的严重后果，开展量子密钥分发技术的保密通信的创新研发，满足了当前信息化社会和数字化经济时代的需求。通过量子保密通信技术的研究与应用，推动了量子保密通信标准化工作的进行和未来的无限发展。
1量子保密通信技术应用
1.1量子密钥分发技术应用
量子密钥分发是根据量子测不准原理、量子不可分割和量子态不可复制的特性来实现，量子生成的通信密码校验绝对的安全性，不会被任何方式破解。通信双方建立量子密码分享协议，发送方和接受方以单光子的状态作为信息载体来建立密钥，保证密钥分发的安全性，密钥分发采取一次一密的加密体制建立安全通信密码。密钥分发完成后需要进行信息协同和隐私保密增强，纠正密钥中存在的错误，使密钥保持一致性，进一步增强信息隐私的保密安全。根据协议随机选择调制每一个光子的基矢，随机的基矢可以对接收端进行监测，在偏振编码过程中采用单光子的水平偏振态（0°）、垂直偏振态（90°）、偏振态（+45°）和偏振态（-45°）的4个量子态，来进行不同自由度的编码，可以选择垂直方向，也可以沿水平方向或其它角度作为量子信息的载体。发送方随机使用2组基矢，按照事先约定的单光子水平偏振态通过量子信道发送给协议用户，当用户接收到光子后也随机地使用2组基矢进行偏振态的测量，如果制备基矢和检测基矢兼容，则表示收发随机数完全一致，如果存在不同，发送方和用户在从新进行比对制备基和测量基基矢，直到收发双方拥有完全一致的随机数序列密钥。密钥分发、生成后不会被破译或计算破解，即使在密钥生成过程中被窃听也会被通信方发现，仍然不会泄密，保证了绝对的安全性[4]。
1.2量子保密通信与后量子安全加密应用
近年来，我国在量子信息技术领域发展迅速，在量子保密通信的研发中获得突破性进展，利用量子保密通信技术克服了传统通信技术存在的安全隐患问题，保证了通信的安全性和可靠性[5]。量子保密通信具备巨大的信息存储与携带性能，量子计算机可以面对各种复杂难度的计算，并能进行高时速、高精准的并行计算处理能力。量子保密通信是在原有的公钥体系进行创新改进，采取量子密钥分发和加密的量子保密通信方案，以应对原有量子计算体系内存在的安全威胁，并对现有加密体制进行升级，应用计算破解能力的后量子加密技术提高了被破解能力，避免信息泄露。量子保密通信与后量子加密的应用，为未来量子安全信息加密技术的创新发展具有重要的意义[6]。
1.2.1量子保密通信方案量子保密通信利用量子态的叠加性和量子不可克隆原理，采取密钥分发的密码技术，对传输的信息进行一次一密的加密方法，完善了加密体制，实现了信息传输的安全性。
1.2.2后量子加密后量子加密技术是一种新的加密方法，通过运用许多先进的技术对现有的加密体制算法进行升级改进，例如网格编码算法和椭圆曲线算法等，增加了防御能力，可以完全抵抗黑客的计算破解，后量子新型信息加密技术能够与现有的信息安全系统实现兼容和平滑升级演进。
1.3量子保密通信应用
量子保密通信为未来信息安全提供了保障，是信息领域的重要技术手段，在量子保密通信中量子密钥分发作为关键技术，与典型网络组织和现有通信系统结构相融合，建立了网络管控、安全服务、密钥生成层、密钥分发层、密钥应用层等组织结构，实现了通信网络的可用性和安全可靠性，并应具备灵活高效、可扩展的未来发展的建设需求。系统分为发送装置和接受装置，利用公共信道对密钥分发协议合法的通信双方发送共享的随机密钥。其中，密钥生成层将生成制备的量子密钥提供給上层，在密钥中继、密钥转发、密钥存储、密钥输出过程中，密钥应用层为量子密钥的保密通信服务提供服务，网络管控平台负责网络运营管理，安全服务平台则负责密码服务和安全管理。量子密钥分发是以量子物理与信息学为基础，利用量子态纠缠重叠的力学特性，在通讯双方之间产生并分享一个随机的安全的密钥，运用一次一密的加密方法，通过量子信道完成信息的安全传送。由于传统量子信道在传送数据进行量子密钥服务的加密业务时，量子信道存在传输损耗，量子密钥分发距离会被限制距离，需设置中继节点来完成长距离的接力传送，导致安全防护存在困难，存在安全隐患。因此在现有较大规模的量子保密通信网络中，都采用可信中继技术是异或后的中继技术，量子密钥只会在节点处暂存经过异或后，不会对中继节点造成影响，具有信息传输的安全性和高效率。
2量子保密通信目前发展状况
随着量子保密通信的发展，世界各国试用点呈现逐步成熟趋势，但在应用推广方面暴露出一些问题。主要包括三个方面：（1）应用场景受到限制当前，量子保密通信主要面向金融、政府等长期安全性较高的特定场景之中，市场规模较为分散，传统通信业界对于量子保密通信应用目前仍然处于热情度较低的状态。此外，由于量子态信号与传统信号混合传输时，将引入劣化性能，导致量子保密通信组网需要借助额外独立光纤链路才能获取所需资源。（2）技术瓶颈待解决在百公里长距离传输情况下，量子保密通信可用安全码率大约为15kbit/s量级，相比于当前光传达网技术实现的量级信息传输差距较大，无法实现对信号的一一加密。此外，在量子保密通信组网方面，由于量子态存储技术尚不成熟，因此，有关量子存储方面难以实现，其中涉及的关键技术仍需进一步验证分析。（3）安全性存在一定风险在实际通信过程中，信道节点不理想特性使其难以满足安全性标准，成为不法分子利用的安全漏洞，所以针对通信安全性升级将是运营维护所面临的一个难题，现阶段，由于通信密钥生成码率也相对较低，很难满足一次一密要求。现阶段，我国量子保密通信技术在业务、市场、商用的应用都处于推广初期阶段，在量子密钥分发技术组网理念和技术研究中，仍然面临一些问题有待研究和探讨。
3量子保密通信标准化工作策略与未来发展
3.1量子保密通信标准化工作策略
在未来量子保密通信技术研发中，应保证量子保密通信设备系统的功能与性能的一致性和可靠性，增加设备系统和网络层面的兼容性、灵活性和安全性，在设备和系统技术、安全性能、组网以及加密等各个方面，逐步完善应用体制，在未来发展中形成完整的标准规范体系。首先，在国家政策支持的基础上，应加强量子密钥分发技术前沿技术领域的研究工作，创新开发新型协议技术、系统器件和架构方案，加快提升量子密钥分发技术和系统设备成熟度、实用化水平和性价比，不断提高量子密钥分发和后量子加密的技术水平，完善加密体制。然后，应加强量子保密通信的商业化应用和市场开拓规划的工作策略和未来发展方向，积极推进产业合作，开展多样化的商业部署模式，制定标准化工作策略，为应用发展做好引导和培育市场需求。最后，应加快我国量子保密通信网络项目工程的建设，升级设备完善标准，提高量子密钥分发系统的网管和运维能力，使量子保密通信系统和网络在完善的密钥管理设备与加密通信设备进行安全可靠的通信，以商业化应用推广和市场化发展为未来建设目标，增加网络建设的实际可用性和安全性等标准的建设规模。目前，我国量子保密通信技术已经实现了实用化、产业化的发展水平，在国家政策的大力支持下在社会各领域得到了广泛的应用。随着国家实施创新驱动发展战略规划，量子信息技术作为我国科技创新的重要发展技术，应加快发展量子信息产业，推动量子技术与社会经济领域的深度融合，增加产业经济的发展，为国家安全、国防军事提供强大的技术支持，新兴的量子信息产业推动了我国战略性发展方向。
3.2未来发展前景
量子保密通信技术在未来发展进程中，量子保密通信网络建设和产业发展是未来量子技术发展的关键，需要加强技术成熟度、设备可靠性和投入产出性价比等各方面的研究，开展标准化工作策略以促进技术和产业的快速发展。近年来，随着量子保密通信技术的不断创新，世界各国在量子保密通信技术与产业的市场竞争日趋激烈，我国虽然处于世界领先地位，应需加强对量子技术研究机构、系统设备厂商和建设运营单位进行大力扶持，在政策支持优势下强化关键技术创新和可持续发展能力，以增强科技实力，提高市场竞争能力。积极推广大规模产业链发展，标准规范产业发展方向，促进量子保密通信商业化推广、产业链壮大和产业化得到健康发展。
3.2.1分发系统性能指标和实用化水平有提升空间量子密钥分发系统在现有光纤网络之中单跨传输距离在百公里以内，密钥成码率有待进一步提高。同时，量子密钥系统工程化也具有一定提升空间。此外，量子保密通信系统仍需要密钥管理，将其与信息通信行业紧密融合，加密通信设备。
3.2.2抗量子计算破解的安全加密面向未来量子计算对于现有加密体系存在的破解威胁，需设计抗量子计算破解安全加密方案，快速提升量子密钥分发技术和实用化水平，这是赢得加密技术体制的关键。
3.2.3量子保密通信商业化开拓仍需进一步探索量子保密通信是对现有通信技术的一种有效安全性提升技术，能够解决密钥分发安全性问题，提升通信安全性等级，具有长期性和高安全性。尤其在金融专网方面，其产业规模相对有限，因此，在后续研究进程中，逐渐完善量子通信保密技术，将其推广到投入产出性行业之中，从设备升级、标准完善、市场探索等方面进行逐一推广与应用。因此，在今后发展过程中，应凝聚各方形成合力，提升工程化实用水平，引导应用产业健康发展，重视标准化测试，引导产业健康发展。
另外，新型的量子计算也给数学密码体制带来了前所未有的潜在威胁。1994年PeterShor发现了第一个具体的量子算法'Shor量子分解算法的时间复杂度为D(刀2(109开)(10皿。朗))，它在设想的量子计算机上可以用输入的多项式时间分解大数质因子，因此它给RsA等公钥密码系统的安全性提出了严峻的挑战。1996年Grover发现了非结构化数据库源于联想网御神州专家新论搜索的Gmver迭代算，量子Grover搜索算法的时间复杂度为D(／Ⅳ)，它有可能解决经典上所谓的NP完全问题。
2007年11月，加拿大D—wave公司宣称研制成功28量子位的量子计算机系统；2008年12月，又宣称成功研制了128量子位的量子处理器。业内科学家们预测，到2020年左右量子计算机将进入实用阶段。假如1024个量子位以上的量子计算机研究取得实质性突破，那么256bit甚至512bit的对称算法将不安全，RSA，ECC等非对称密码体制也将不安全。目前的私钥密码体制，公钥密码体制等都将面临更新换代的“困境”。因此，研究可以抵抗量子计算等高性能计算攻击的新型密码技术体制势在必行。
根据Shannon信息论原理，如果随机密钥的高速在线分发问题能够有效解决，那么利用一次一密乱码本(OTP)就可以解决数据传输的完全保密问题。但是随机密钥的高速在线分发面临着一系列技术难题或者瓶颈(因为为了确保密钥安全，需要采用复杂的加密手段和安全协议，限制了密钥分发的速率；另外，密钥的安全性也得不到完备性证明)。而量子通信系统可以解决随机密钥的高速在线保密分发问题，为0TP的广泛应用提供了技术可能性，进而可以解决数据传输的完全保密问题。基于这样一个亮点，量子保密通信特别是量子密钥分发技术(QKD)得到了许多国家的高度关注并得到了快速发展。
目前，QKD作为一个物理上安全的保密体制，其实用化已是一个明显的趋势。2004年，华东师范大学在国内首次实现了QKD原理样机吼2005年，瑞士IDQmntique公司和美国MagQ公司都推出了商用QKD系统产品。2005年，美国BBN公司在DAPAR的资助下构建了6节点的实验网络。
2008年，欧盟sECoQc组建了7节点的演示网络。2009年。中国建设了8节点的“最子政务网”。可以说，国内外对量子密钥分发技术的研究已经进入了工程实现的关键时期，目前已经没有产品化的技术障碍，其应用基本上取决于市场。目前世界上最好的实验记录是：无中继通信距离l87km，在线分发密钥的速率lMb／s以上。
1技术原理和特色
根据量子力学原理，微观世界遵循Hd‘规berg测不准原理和量子不可精确克隆定理。量子态测不准并且不能精确复制，这意味着，通过窃听将不能得到确定的有效信息，也不能进行重复测量。更重要的是，任何针对量子信号的窃听都将不可避免地留下痕迹，这为在线检测窃听提供了可能。量子态测不准导致的直接结果是任何人都不可能进行精确测量，从这个角度来分析，量子信道是“绝对安全”的；但是这种“绝对安全”是无意义的，因为从中得不到有效信息。合法通信双方为了提取在量子信道中传输的量子信息，必须依赖附加的条件，即必须借助经典信道进行辅助信息的交互，比如窃听检测所需要的交互信息必须通过可信辅助信道来传送，这也决定了量子通信与经典保密通信之间的互补关系。
量子信息是经典信息在功能和性能上的扩展，量子通信系统具有经典通信系统所具有的功能以及经典通信系统所不具有的新功能(比如在线窃听检测)。如果采用一组正交态对0和l进行编码和通信，那么通信双方能够进行确定测量，因此完全可以实现经典通信系统的数据传输功能。当然，这种应用与经典通信系统相比较并没有特殊的优越性，因此在大多数情况下，量子通信是指基于量子测不准条件下的量子保密通信。
1.1量子密钥分发
QKD基于Heisenberg测不准原理和量子不可克隆定理，其完全保密特性得到了证明。因此，至少在理论上，基于量子密钥的oTP能够解决通信数据的完全保密传输问题又因为这种综合应用具有体制上的简洁性、理想的完全保密性和简单的软硬件实现性能等，代表了密码系统发展和升级换代的一个趋势。
如果QKD在密钥分发速率方面取得了重大突破，比如达到50Mb／s，甚至达到1Gb／s以上，那么基于量子密钥的oTP就能够实现保密语音通信、一些重要数据的实时保密通信等，并且这种应用不存在所使用密钥或者密码算法可能存在安全漏洞的隐患。这种系统应用无疑对现在的保密通信体制是一个极大的挑战!当然，寻找QKD在现代保密通信系统中的应用切入点是当务之急。
1.2量子身份识别量子身份识别是基于量子态身份信息的物理安全的身份
识别方案。量子身份识别信息是量子态，具有唯一性和不可复制性，这从根本上消除了身份信息被假冒或者事后否认的可能性。在量子计算条件下，如何利用量子态身份的唯一性和不可复制特性实现完全保密的量子身份识别具有非常重要的意义。一方面，这种方案不需要事先共享短密钥，可以增加系统的可用性另一方面，量子身份识别信息基于量子态，具有唯一性和不可复制性，可以从根本上解决其安全问题。
但是，由于量子身份的重复使用等技术难题导致量子身份识别研究进展缓慢。
1.3量子保密通信体制
研究表明。QKD并不是量子保密通信的必要条件，因为人们已经发现不依赖共享密钥的量子保密直接通信方案110J，这也可能意味着未来的量子保密通信体制的安全性将可能不再依赖共享密钥。但是，这并不影响QKD在一定时期内得到广泛应用。量子保密通信在同时解决窃听检测、身份识别和信息保护等问题的条件下，将形成一个完备的保密通信体制。量子保密通信不依赖复杂的数据加密算法(当然，信息的本地存储保护等依然需要安全的数据加密算法)，量子系统设备不，因此量子系统具有通用性，所有用户的系统配置和功能可以做到完全一致，不存在系统分级和使用多种密码算法等技术问题，因此可以说不存在互联互通的技术障碍，它能使任何拥有量子保密通信终端的用户之间实现完全保密的通信，这是目前的保密通信系统所不具有的功能。这种性能在保密通信中具有非常重要的作用。对于量子纠缠系统来说，由于纠缠粒子之间存在不受空间限制的关联性，并且可以实现隐形传态，似乎利用这种现象可以突破经典通信的距离极限，但这是不可能的。因为纠缠粒子之间的通信依然依赖经典信息交互，即在进行基于纠缠的测量之后还必须通过可信经典信道进行相关测量信息交互之后，才能实现两个纠缠粒子之间的通信，这也是量子纠缠不能实现超光速通信的一个关键原因。因此，在目前的量子通信模型下，量子通信在深水、深空通信中并没有明显的技术优势，也很难突破经典通信的水下和深空通信的距离和速率极限。毋庸置疑，探索如何在新型的通信模型下突破经典通信的极限，无论是对于理论创新还是对于国防军事通信安全等都是非常有意义的。
2基础研究与应用趋势
在QKD技术快速发展并日趋成熟的今天，量子保密通信体制还处于初级阶段，量子保密通信系统由于系统自身的不稳定性会造成一定的长期误码率(比如量子信号的调制解调过程和单光子探测器暗计数等都会引入一定的误码，这些误码在理论上无法与非法侵入所引起的误码进行区分)，如何克服这些误码的影响还有待于进一步解决。另外，QKD的应用研究和量子保密通信基础理论研究依然是量子保密通信体制研究的重点，其发展趋势可以概括为：
(1)高速量子密钥分发系统与应用研究。对基于单光子实验方案进行改进和完善，提高系统的稳定性和效率，并进行QKD系统产品的研发。对基于量子纠缠、隐形传态等量子特性的实验方案进行深入研究，研究如何设计性能稳定的QKD系统并在通信距离和通信效率上取得突破。
(2)量子保密通信基础理论。研究新的量子密钥分发、量子保密直接通信、量子身份识别、量子比特承诺协议等，完善量子保密通信体制理论研究量子保密通信网络的基本架构、工作原理和实现方案等：研究任意节点之间的互联互通机理以及针对量子保密通信网络的专用路由技术研究量子保密通信网络与光纤通信网络之间互联互通技术。
目前，量子保密通信的实际应用进程直接取决于市场需求和量子技术的发展。量子保密通信系统的关键技术主要包括：量子态的制备、分发和探测技术；量子系统稳定性和抗干扰解决途径；与光纤网络的兼容性等。
随着单光子制备、量子存储和探测技术以及光纤传输等相关技术的进一步发展，量子保密通信将在国家重要领域内的通信保密中扮演一个非常重要的角色。短期内，QKD可以从根本上解决密钥的高速在线分发问题，为oTP的广泛使用提供一种可行的技术途径。基于景子密钥的oTP可以用于保密电话网、保密数据网等，实现各种数据的一次一密加密，确保数据的完全保密传输。中长期内，能够同时解决窃听检测、身份识别和信息保护的量子保密通信技术，可以提供一个完善的通信保密解决方案。
3应对策略探讨
为了积极应对QKD和量子保密通信技术可能带来的影响，并为相关技术发展创造良好的氛围，促进量子保密通信技术的应用推广，及时采取科学的应对策略非常必要。根据对国内外量子通信研究现状和趋势的综合调研分析，结合国内的实际情况，以下对策或策略具有一定的代表性和较大的参考价值。
(1)信息安全形势严峻，积极进行技术储备，有备无惠。近几年，一些典型的经典密码算法不断被破译或被发现存在致命漏洞，网络计算和量子计算等高性能计算技术快速发展给经典密码算法带来前所未有的冲击和挑战，经典通信保密体制面临更新换代的抉择。而量子保密通信技术代表了一个实际可行的新型技术方向，代表了未来信息安全市场的一个新方向。在积极探索量子保密通信体制的同时，寻求量子技术与经典技术的“融合”，促进这种新型保密通信系统的应用具有十分重要的现实意义。
(2)潜在资源需要整合，潜在市场需要发掘和培育。最子保密通信技术在保密传输方面有着十分明显的技术优势。其中短期应用前景十分明确，长期推广应用趋势不可逆转。但是，量子保密通信是一个综合交叉技术学科，系统核心技术需要多学科专业人才联合进行技术攻关，但是目前国内相关研究主力依然集中在高校，基本上还处在“单兵作战”的状态，还不能形成具有核心竞争力的产品研发平台。
美国MagiQ公司的副总裁AndrewHammond估计QKD短期市场份额将达到20亿美元，在不久的未来其市场份额将达到10亿美元／年。在今后几年内，国内的市场份额派工流程与安全知识库紧密相关，在故障处理时从安全知识库中提供专家经验和历史资料进行参考，在派工处理完毕后的反馈又放入安全知识库中作为下次事件的历史资料。安全知识库包括安全知识文章、漏洞库，补丁库、事故案例库等。
3.1报告报表网络安全管理系统具有强大的事件分析报告和安全趋势
报告系统。能够收集和整理所有的安全事件报告，整理分析，产生针对不同阅读者的专业安全报表。安全报表能够将一段时期内的整体安全状况、攻击来源、攻击方式、攻击目标、最多的和最少的攻击排序、IP子网攻击、IP子网攻击目标、设备类型、事件警告类型、事件状况类型和事件的严重性等等做出专业的分析报告。
3.2趋势分析趋势分析指依据网络安全指标策略体系，将多源安全事
件经编码格式标准化、归并关联等处理后，进行安全指标映射与态势数据生成，并借助多种可定制可视化视角而展现出来的网络总体安全状态和发展趋势。经过对安全事件、审计日志和一些辅助信息的分析，能够生成实时态势报表、态势告警、态势预案等安全态势分析报告，对总体的安全建设提供有价值的指导意见。安全态势分析需要综合众多最新的信息安全管理技术，具有极大的理论价值和实用价值。
关键词：电子商务；电子支付；量子通信；量子密码
电子商务的产生，是由两个“全球化”――经济全球化和信息全球化促成的。而电子支付，则构成电子商务的核心，即实现电子商务交易中，买卖双方之间的资金快速转移和流动。电子商务的发展，正在以其独特的经济方式，展现出巨大的市场、无限的商机和丰厚利润，形成全球新的经济市场份额，改变着全球的经济构架，直接影响和改变着全球经济的各个方面，给整个世界带来一场史无前例的深刻变化的革命。那么，电子支付，则是实现电子商务目标的重中之重。
所谓电子支付，是指电子商务交易的当事人，使用信息化手段，通过网络进行交易支付。使用电子支付能够有效减少商务成本，加快处理速度，方便全球的客户，扩展贸易业务，使得消费者可以在任何地方、任何时间、通过互联网快速获得各国银行系统的支付服务，而无需再到当地银行的传统营业柜台办理繁琐的交易手续。随着各国电子商务的快速发展，电子支付成为国际贸易结算的不可缺少手段。
对电子商务而言，其最重要的特征还是商务性。商务的实质，是商品交换，以盈利为经营目的，也就是说，商务活动的最大作用，就是通^商品换取资金的转移和流动。
在电子商务的运作过程中，货币的支付与结算必不可少，资金流是商品交易的目的。电子支付是交易的货币从一方主体转移和流动到另一方主体或经由第三方进行中转，实现交易的最终也是最关键的步骤。既然在电子商务中，电子支付涉及到的是资金流的流动，也就是金钱的运动，故在电子支付这一环节，危机四伏，各种各样的诈骗问题层出不穷，也就是电子支付系统运行的必然结果。可以看到，绝大多数的网络安全问题，特别是涉及到资金被盗、被转移的网络安全问题，都是由电子支付系统引发或者导致产生的。
但电子商务毕竟又不同于传统的商务。电子商务有别于其他传统商务的关键就是其电子化，即使用电子化手段，传递贸易信息，使支付更方便、更快捷、更高效和更经济，所以，电子商务才能够得以在短短时间内，在全世界广大范围快速发展，使贸易市场突破国界与疆域，构筑全球的营销网，这就是电子支付成为电子商务发展重中之重的根本原因所在。没有电子支付，电子商务就只是一种电子商情，电子合同；同时，离开电子商务，电子支付也只是单调的金融支付手段。电子商务与电子支付是相伴相生，相辅相成，缺一不可的。
电子支付是伴随电子商务电子化、网络化形成的，虽然不同于传统的商务支付，但却是从传统的支付方式发展而来的。电子支付方式与传统支付方式最关键的差别就是它们的运行环境不同。传统的支付方式是运行在较为封闭的系统之中，而电子支付目前却是运行在一个开放的系统平台之上，以公共网络作为通信媒介，通过数字技术来完成贸易信息交换和交易资金流动。因此，电子支付系统不仅要面临着传统支付方式所具有的安全问题，还要面临着其系统本身特有的风险，而这种特有的风险，因为现在网络和计算机系统的开放性，是现在所使用的电子支付系统根本无法规避的。所以，随着我国电子商务发展进入快车道，作为电子商务的重中之重，电子支付，当前也暴露出越来越多亟待解决的网络安全问题。
解析花样不断翻新、层出不穷的电商诈骗、网上银行被盗、银行卡被刷事件，利用电子支付系统所使用的互联网、计算机系统的缺陷、漏洞，来进行新的金钱犯罪。电商网络诈骗，也同样使用了快捷、方便的电子手段，以更快更隐蔽的方式。
如何使电子支付更安全，怎样才能保障我国的电子商务快速健康发展下去？笔者认为要依靠更加先进的科学技术即量子通信。
量子卫星的成功发射和在轨运行，将有助于我国在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际领先地位，实现国家信息安全和信息技术水平跨越式提升，有望推动我国科学家在量子科学前沿领域取得重大突破。届时网上银行、手机支付、信用卡等就再也不怕被盗号、泄密了。量子通信的安全性是基于量子物理基本原理，可从根本上、永久性解决信息安全问题。我国力争率先建成全球化的广域量子保密通信网络，在此基础上构建信息充分安全的“量子互联网”，形成完整的量子通信产业链。
量子通信是近20发展起来的新型交叉学科，是国际量子物理和信息科学的研究热点。量子通信主要是利用量子特性（不可克隆，叠加态，纠缠态，不可准确完整观测），来实现量子秘钥分发和通信安全。
为了满足电子商务活动对机密性、完整性、身份确认陛和不可抵赖性，必须对其活动进行安全控制，通常电子商务的安全控制是借助密码技术来实现的。即互联网世界的商务通信加密和传输安全，依赖于复杂的加密算法。自20世纪初起，研究人员就开始致力于编码加密方法以及信息的安全传输方式的研究。但是这当中却有两个关键的缺陷：其一是，当有一台拥有足够计算能力的设备时，保密程序将会被破解。量子计算机就是现代密码技术的克星，在量子计算机面前，再复杂的加密算法，顷刻之间就被完全破译；其二则是，当数据传输信道被“窃听”，就会造成信息的丢失被盗。所以，传统通信，即便是再高级的保密通信，只要通过当前的电话线、无线电、光纤等通信设施，都会面临被破译和窃听的可能。所以，在计算能力凶猛的量子计算机面前，传统传输的密件，就像在裸奔一样。而现在电子商务所使用的电子支付系统，是借助于开放的互联网系统，借助于信息共享的计算机系统，使用密码技术来实现电子商务的贸易信息传递和支付，之所以出现形形的安全问题，直言不讳地说，就是现在电子商务系统所凭借的网络平台、计算机系统和密码技术，由于其本身存在的缺陷、漏洞、公开性、远程登录等，无法承载高度机密的电子商务信息传输和大量高额钱币的流动和转移。也就是说，现在的电子支付系统，无法保证电子商务运行不出安全问题！
量子通信的关键要素是量子密钥，即以具有量子态的物质作为密码，信息被截获或被测量时，其自身形状立刻改变，所以，截获者只能得到无效信息。与现阶段成熟的通信技术相比，量子通信的工作机制，一次一密，完全可以实现，由此可见，量子通信极其安全，任何微小的干扰都可以被发现，双方共享的密钥被编码进极化的光子序列中，任何窃听活动都会留下其痕迹。
我国这次成功发射的量子科学实验卫星“墨子”，质量640Kg，倾角97.37，在轨设计寿命2年，具备2套独立的有效载荷指向机、4个有效载荷，即量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠原、量子实验控制与处理机。量子卫星在轨期间，执行四大任务，即：星地高速量子密钥分发实验，广域量子通信网络实验，星地量子纠缠分发实验和地星量子隐形传态实验。
量子通信网最核心的竞争力，就是信息传递过程中的绝对安全，是迄今为止被验证过的唯一可提供“信息理论安全”级别的“无条件安全”的通信方式，同时还有着通信容量大、传输速率快、抗干扰性强等优点，可实现抵御任何窃听的密钥分发，进而保证其加密的内容不可破译。而量子密码，被证明是永远无法破解的密码。
量子密码之所以能够成为斩断伸向电子支付的罪恶魔掌，正是由于量子通信网络，严格遵循了海森堡通用原则中不允许“第三方”从通讯信道中获取信息数据，甚至取得密码等保密信息这一固守原则。量子通信网络，才是能够承载起电子商务发展所需要的通信网络，是实现全世界信息化和数字化所需要的通信网络。
国际上首个量子密码通信网络日前由我国科学家在北京测试运行成功。这是迄今为止国际公开报道的唯一无中转、可同时、任意互通的量子密码通信网络，标志着量子保密通信技术从点对点方式向网络化迈出了关键一步。
今年3月，由中国科学院院士、中国科技大学教授郭光灿领导的中科院量子信息重点实验室，利用自主创新的量子路由器，在北京网通公司商用通信网络上完成了四用户量子密码通信网络的测试运行，并确保了网络通信的安全。
有关专家表示，这次实验的成功，为量子因特网的发展奠定了基础，使量子因特网的问世露出了“一线曙光”。根据量子力学基本原理，量子信息无法复制，任何截获或测量操作都会改变量子的状态，都会被通信者发现，因此，量子密码在原理上是“无法破译”、“绝对安全”的。
但要将量子密码应用于网络通信，国际学术界面临两大难题。其一是量子密码系统的稳定性问题。2004年，郭光灿领导的研究小组在北京和天津之间成功实现了125km光纤的点对点的量子密钥分配，解决了量子密码系统的稳定性问题。另外一个难题则是，在量子信息不能测量、测量就会被破坏的前提下，网络在传输中如何自动找到特定的路径，将信息完整准确地传送给对方。为解决这个难题，郭光灿领导的研究小组巧妙利用波分复用技术，设计出国际上第一个量子路由器，解决了量子信息自动寻址难题，使量子网络中任意一个用户都能自由选定网内任意用户与其实现量子密码通信。
不久前，郭光灿课题组在北京网通公司的商用光纤线路上进行多用户测试。用户之间最短距离约32km，最长约42.6km。测试系统成功演示了一对三和任意两点互通的量子密钥分配，并在对原始密钥进行纠错和提纯基础上，完成了加密的多媒体通信实验。
据介绍，量子密码通信网络是当前国际上热门的研究课题之一。欧洲、北美和日本投入了大量的人力物力进行研究，并提出了多种网络拓扑结构和寻址方式。
有关专家认为，由郭光灿等人完成的量子密码通信网络在商用光纤上可以长期稳定运行，性能优于国际上现有的其他量子密码网络方案；同时，在目前的技术条件下，它能扩建成拥有数百个用户的量子密码通信网络。
量子信息，已然成为了当下人们关注的焦点。伴随着量子信息技术逐渐走向实用化，其衍生出的量子通信技术，更被誉为是继微电子信息之后，最有可能引发军事、经济、社会领域又一次重大革命的关键技术。
量子信息科学的诞生
自上世纪80年代开始，人们发现，量子物理与信息技术相结合，可以开拓与经典方式具有本质区别的全新的信息处理和通信方式。于是，一门新兴的学科――量子信息科学就此诞生。
在量子力学中，量子信息是关于量子系统“状态”所带有的物理信息。它是通过量子系统的各种相干特性（如量子并行、量子纠缠和量子不可克隆等），进行计算、编码和信息传输的全新信息方式。
至此，量子信息科学就迅速成为近年来物理学和信息科学领域最活跃的研究前沿之一。利用量子调控技术，能够用一种革命性的方式对信息进行编码、存储、传输和操纵，在增大信息传输容量、提高运算速度、确保信息安全等方面突破了经典信息技术的瓶颈。
量子信息科学拓宽和深化了量子理论在改变人类生活和社会面貌方面的应用，成为未来信息技术的战略性发展方向，很有可能会推动整个信息产业的技术革命。量子信息主要包括量子通信和量子计算两个领域。量子通信主要研究量子密码、量子隐形传态、远距离量子通信的技术等等；量子计算主要研究量子计算机和适合于量子计算机的量子算法。
而要说到最先走向实用化的量子信息技术，非量子通信莫属。
量子通信绝对安全
安全地进行信息传递是人类千百年来的梦想之一。但在今日这个信息技术飞速进步的时代，安全通信却几乎成为海市蜃楼。由于经典信息容易被复制，因此保障通信安全的主要方法就是加密信息，使窃取者即使复制了加密后的密文也无法读取原文。
但是这种方法的安全性在理论上缺乏证明――数学的不断进步可能使得一些现在看起来无法利用数学方法破解的加密解密算法在未来得以破解，因此这种方法远不能保证建造“绝对安全”的通信系统，而且在实际应用中也存在着加密和解密效率低下等诸多问题。
更为严峻的是，随着计算科学和技术的发展，人类所拥有的计算能力的提升速度和潜力已远远超过了人们最初的想象，经典密码加密技术对于通信安全的保障能力也显得远非人们预先估计的那么可靠了。尤其是上世纪70年代以来，量子计算概念的提出和它的初步实验演示，更如同在经典密码安全性上方高悬的“达摩克利斯之剑”，随时威胁着经典通信系统的安全。
但如今，人们的这些顾虑可能会伴随着量子通信技术的应用和普及而被永远“埋葬”。广义地说，量子通信是指利用量子比特作为信息载体来传输信息的通信技术。量子通信内涵很广泛，量子隐形传态、量子保密通信、量子密集编码等都属于量子通信领域。但由于量子保密通信是目前最接近实用化的量子信息技术，也是人类目前掌握的唯一的无条件安全密码技术，因此，我们日常提到量子通信时常常特指量子保密通信。
在量子通信过程中，发送方和接收方采用单光子的状态作为信息载体来建立密钥。通常来说，窃听者可能用三种方法进行窃听：
第一种方法是将单光子分割成两部分，让其中一部分继续传送，而对另一部分进行状态测量获取密钥信息。但由于单光子不可分割，因此这种办法无法做到。
第二种可能的方法是窃听者希望截取单光子后，测量其状态，然后根据测量结果发送一个新光子给接收方。但由于窃听者不能精确地对光子的状态进行测量，所以发送给接收方的光子的状态与其原始状态会存在偏差。这样，发送方和接收方可以利用这个偏差来探测到窃听者对光子的测量扰动，从而检验他们之间所建立的密钥的安全性。
第三种可能的方法是窃听者截取单光子后，通过复制单光子的状态来窃取信息。但按照量子不可克隆原理，未知的量子态不可能被精确复制。
因此，无论是现在还是将来，无论破译者掌握了多么先进的窃听技术、多强大的破译能力，只要量子力学规律成立，由量子通信建立起的秘密就无法被破解。
可以说，量子通信系统的问世，重新点燃了建造“绝对安全”通信系统的希望。通向“绝对安全通信”这个千百年来人类梦想大道的入口，在量子物理的指引下，又重新显露在人们视野之中。
得益于这种“绝对安全”，通过量子通信，人们可以从根本上解决国防、金融、政务、商业等领域的信息安全问题。因此，量子通信被视为是保障未来信息社会通信安全的重要技术基础。
更进一步来讲，量子通信还能实质性地提升国家的信息技术水平和信息产业的核心竞争力，实现国家信息系统建设的跨越式发展，对国家综合国力的提升、经济和社会的进步产生深远的影响。正因于此，其也成为世界主要发达国家优先发展的科技和产业高地。
量子通信就在我们身边
早在三年前，“墨子号”研发参与者之一、济南量子技术研究院院长助理周飞博士所在的济南量子技术研究院，在国内最早“尝鲜”量子技术成果，投资1.2亿元建成了世界规模最大、功能最全的量子通信试验网――济南量子通信试验网（下称“济南网”），运用一系列核心技术为山东政务、金融、政法、科研、教育五大领域28家单位的100多个用户提供保密通信服务。
一部其貌不扬的黑色电话，出现在济南市多个单位的核心业务部门。在检察院系统，对一些贪腐案件调查进行信息沟通时，通过它可以保障信息安全，不存在泄露或窃听；一些政府部门在政务信息的沟通中，通过它可以做好机要信息安全保护。
“这就是‘量子保密电话’。”周飞表示，“使用人在拨打或接听电话时，通话记录可以实现绝对保密。”
“现代密码学所采用的加密通常是利用数学算法的复杂度来增加破译的困难程度。如果破译者希望得到信息的内容，就需要先破译得到‘钥匙’。而超级计算机的出现，再复杂的‘钥匙’都有可能最终被破译。”周飞举例说，“比如我们平时打电话时，信号经过无线网、基站等若干个节点，任何一点都可能被窃听。尽管信息也是加密的，但是这些传统加密办法较易被破解。而如果用量子技术加密，理论上不可破解。”
【关键词】量子态；量子信息技术；量子通信；量子计算；量子传感
0 引言
十九世纪末二十世纪初，爱因斯坦创立了相对论，海森堡、薛定谔等一些科学家创立了量子力学，由此诞生了现代物理学。相对论和量子论成为现代物理学的两大支柱。量子信息是量子物理与信息技术相结合发展起来的新学科[1]。经典物质和微观粒子的本质差别在于微观粒子具有量子特性，这些特性包括叠加性、不可克隆、相干性、纠缠性等。量子信息技术重点研究利用这些量子力学特性，突破基于经典电动力学的信息系统的性能极限。量子信息技术主要包括量子通信技术、量子计算技术、量子成像技术、量子定位技术、量子传感技术等。由于量子信息技术具有经典信息无法比拟的优势和前景，近年来受到广泛关注和发展。
1 量子态的基本特性
1.1 态叠加原理
为量子系统的可能状态，则由它们任意线性组合得到的叠加态
也是系统的一个可能的态。
1.2 相干性
相干性是态之间的关联性，是指微观世界的量子态矢之间存在相互干涉。量子态利用其相干性保持其携带的量子信息。环境噪声的影响或测量会破坏量子相干性导致量子信息塌缩为经典信息，即消相干[2]。
1.3 测不准原理
若两个力学量A和B不对易即AB≠BA，则它们无法同时精确测量。力学量A和B在量子态|？鬃〉下的不确定关系可以描述为
其中？驻A和？驻B分别为力学量A和B在|？鬃〉中的不确定度，而[A，B]=AB-BA为A与B的对易式。
由海森堡测不准原理可知，如果将信息编码在一对非互易的物理量上，接收者是无法将该信息完整的还原出来的，测量某一个物理量时，必会对另一个物理量产生扰动[3]。
1.4 不可克隆定理
不可克隆指未知量子态不可以被精确复制。不经过测量，就不能得到量子系统的任何信息，这就意味着要从非正交量子态中提取编码信息，就必须对这些量子态进行破坏性测量。不可克隆定理使得窃听者无法采用克隆的手段获取私密信息，它是量子协议安全性的重要保障。尽管精确复制未知量子态被不可克隆定理否决，但概率克隆依然是可能的。量子不可克隆定理断言，非正交态不可以克隆，但它并没有排除非精确克隆即复制量子态的可能性。目前主要有两种克隆机：普适克隆机和概率克隆机[4]。
1.5 量子纠缠性
量子纠缠性是一种特殊的量子力学现象，即对复合系统中的某个子系统测量的结果决定了剩余子系统的可能状态。量子纠缠态存在非定域的远距离关联，相互纠缠的两个粒子无论被分离多远，一个粒子状态的变化都会立即使得另一个粒子状态发生相应变化。
2 量子信息技术
2.1 量子通信技术
量子通信是指利用微观粒子（一般为光子）的量子态作为编码物理态，进行信息传递的通信方式，其特征是通信过程中的信息载体为物理系统的量子态。由于光子量子态不能被分割或复制，在量子信道上传送的信息不可能被窃听、被截获、被复制，量子通信具有安全性。利用量子纠缠态进行量子态隐形传输，量子通信可实现无障碍通信的能力。广义的量子通信技术包含了量子隐形传态、量子密集编码、量子信息论、量子密码等研究分支。量子密码技术又包含量子安全直接通信（QSDC）、量子秘密共享（QSS）、量子公钥密码（QPKC）、量子密钥分发（QKD）等技术。
1984年，美国IBM研究院的C. H. Bennett和加拿大蒙特利尔大学的G. Brassard首次提出了基于量子物理方法的密钥分发协议，被称为BB84协议。BB84协议的提出标志着量子通信技术及量子密钥分发（QKD）技术的诞生。当前技术条件下，文献资料中所谓量子通信技术通常指QKD技术，迄今为止世界上几乎所有的“量子网络”都是指“量子密钥分发网络”。其余的量子通信技术的理论或实验基础尚不完备，仍处于基础研究阶段。美国、欧盟和日本分别在基于自由空间和光纤信道的离散变量QKD技术、基于光纤信道的连续变量QKD技术、基于自由空间信道的纠缠光子对QKD技术上处于世界领先水平。从技术指标上来讲，目前国际上QKD系统最远传输距离达300公里，在通信距离为50公里条件下安全码率可达1Mb/s。市场上至少有三家公司销售商用QKD产品，其中包括瑞士的ID Quantique公司，美国的MagiQ公司和法国的Smart Quantum公司。2007年瑞士联邦选举中，日韧哒府信息部门采用了ID Quantique公司的商用QKD系统进行投票结果和网络保密处理。2010年，南非世界杯安全信息服务也采用了该公司的商用QKD系统作为安全保障。
2.2 量子计算技术
量子计算是以量子力学原理为基础，用二能级系统作为信息处理单元（量子比特，qubit），通过对量子态的调控实现信息输入、信息处理及信息提取的并行计算方式。其核心在于以量子态来编码信息，优势源于量子相干性引起的量子并行。在经典计算中，基本信息单位为比特，运算对象是各种比特序列。与此类似，在量子计算中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上。从原理上讲，经典计算是基于经典比特的非0即1的确定特征，对输入信号序列按一定算法进行变换（逻辑门操作）的物理过程。而量子计算则是基于量子比特的|0>和|1>的相干叠加特征，对可由量子叠加态描述的输入信号，根据量子的算法要求，进行量子逻辑门操作的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充。量子计算机不仅能克服特征尺寸减少引起的热耗效应和量子效应对现有计算机进一步发展的制约，解决经典计算机制造中面临的摩尔定律失效问题，而且能够突破经典计算极限，满足计算速度不断提高的需求，将成为下一代计算机发展重要方向[5]。
量子计算的基本理论模型已经得到实验验证，国内外的研究人员正致力于集成更多量子位，尽可能长时间的保持其量子特性，以进行更多的量子逻辑门操作。2010年，加拿大D-wave公司宣布研制成128个量子比特的超导绝热量子计算机。2011年，奥地利因斯布鲁克大学利用离子阱实现了6个量子位，并进行了数百个量子逻辑运算。此装置实际上已经可以看做可实现特定功能的专用量子计算机。2012年，IBM采用三维合金波导谐振腔，使内置的超导量子位将量子态保持了100微秒，理论上可以完成数百个量子逻辑门操作，成功率达到95%以上，展示了超导系统应用于量子计算的巨大潜力。
2.3 量子成像技术
量子成像是一种利用双光子复合探测恢复待测物体空间信息的一种新型成像技术。相τ诖统光学成像技术中通过记录辐射场的光强分布从而获取目标的图像信息的方法，量子成像则是通过利用、控制（或模拟）辐射场的量子涨落来得到物体的图像。由于经典电磁波成像技术建立在电磁波的确定性理论模型和经典信息论基础之上；而量子成像技术建立在光场的量子统计的不确定性理论模型之上。因此，量子成像能够打破经典成像的探测系统量子噪声极限、成像系统分辨率衍射极限、奈奎斯特采样极限，在成像探测灵敏度、分辨率和扫描成像速率上得到突破。
1995 年，美国马里兰大学史砚华小组首次在实验上实现了双光子纠缠源的“鬼”成像。1999 年巴西Fonseca 等人利用自发参量下转换产生的双光子态作光源，观察到了双缝的亚波长干涉效应。鬼像以及鬼干涉实验的研究带动了量子成像的发展。2000 年，Boto提出利用N个光子纠缠系统来做N个光子复合探测的量子刻录方案，可以在不改变光波波长的情况下，把光学系统的瑞利衍射分辨极限提高N 倍。2004 年，Bennink 小组用经典光源证明了双光子“鬼”成像的实验。2008 年，美国国家标准和技术学院以及马里兰大学的联合研究团队首次实时捕获了被量子纠缠在一起的图像，两幅在空间上分隔开的随机变动的图像，但通过它们的互补功能被紧密链接在一起。
2.4 量子定位技术
量子定位技术是基于传统无线电导航定位系统的同步、信息传输、测距（测角/测时差/测相差/测频差）和解算（位置/方向/姿态）基本原理，利用量子的纠缠和压缩特性实现超越经典测量中能量、带宽和精度的限制。根据理论分析量子定位技术在定位精度、安全性和抗干扰方面远优于无线电导航定位系统。理论计算表明，量子定位系统（QPS）的定位精度至少是现有经典无线电导航定位系统的M*N倍（M束光脉冲，每束光脉冲包含N个光子），是经典光学测距的MN1/2倍。量子定位系统可很容易地解决保密通信和防窃听的问题。量子定位系统由于采用量子光信号，不存在电磁干扰问题，同时，量子测不准性保证了噪声干扰的可检测性。
2001年美国麻省理工学院Vittorio Giovannetti博士带领的研究小组最早提出量子定位系统（QPS）概念。从理论上证实了量子压缩和量子纠缠时实现高精度量子定位的基础；通过利用脉冲内处于纠缠和压缩态的光子的个数，可以提高距离测量的精度，且压缩和纠缠的光子数越多，对应的精度越高。此外，还研究了量子纠缠源的制备，时钟同步等问题，并实现了基于纠缠双光子对的10米距离量子测距的桌面试验系统。2004年，美国陆军研究实验室详细给出了采用基线干涉式QPS的构建方案。2008年美国陆军研究实验室正式将陆基QPS和采用地球近轨卫星的星载QPS研究成果申请专利，对于星载QPS而言，若忽略大气层效应，对于地球的绝大多数区域而言，优于1cm的定位精度是完全可能的，而且可能会成为定义全球四维参考坐标系的主要系统。
2.5 量子传感技术
量子传感器是利用量子信号对环境变化的极高敏感性，得到高灵敏度和测量精度的新型传感器。量子传感器可以观察到光子相位的微小变化，并通过量子态的调控高度压缩光场固有的散粒噪声，从而实现接近于海森堡测不准原理（物理学要求的测量极限）量级的观测。
量子传感技术中最成熟的研究领域是位移传感，其最早被应用于美国的“干涉探测器”（LIGO）寻找引力波存在的迹象，该探测器可以探测10-18米量级的极微量位移，甚至比光子本身的直径还小一千倍，充分展示了量子传感器的巨大应用潜力。目前，已相继开展量子激光陀螺、量子光纤扰动传感和量子光纤水听器等量子传感技术的理论研究[6]。美国国防先期研究计划局DARPA已经专门立项量子传感器的研究专题。2007年，澳大利亚学者安德鲁・怀特小组制备了6光子以上的纠缠源。2010年，来自意大利罗马大学的团队证明了存在损耗和噪声的干涉仪中也可以实现高精度的传感和测量，探索了将量子技术应用于现场环境以实现远距离传感的可能性。
3 结语
量子信息技术是量子力学和信息科学相结合的一门快速发展的新型学科，基于量子特性的量子信息技术在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面能够突破现有经典信息系统的极限。近年来量子信息在理论、实验和应用领域都取得重要突破，随着信息时代的到来，量子信息技术将越来越广泛的引起人们的关注，将成为下一代信息技术的先导。
【参考文献】
[1]郭光灿.量子信息技术[J].重庆邮电大学学报（自然科学版），2010，10.
[2]何立宏.安全多方量子计算理论与应用研究[D].中国科学技术大学，2013，5.
[3]陆鸢.连续变量量子保密通信技术研究[D].上海交通大学，2011，12.
[4]肖.量子信息技术-量子密钥[J].湖北教育学院学报，2005，3.
正如奥运赛场上的金牌总是备受关注一样，中国量子卫星的“第一”属性也是国际科学家们强调的重点。美国波士顿大学的量子物理学家亚历山大・谢尔吉延科说：“这个事确实很让人激樱因为它是首次开展此类试验，对全球都有重要意义。”
他说，量子通信的竞赛自1995年欧洲科研人员在日内瓦湖底进行量子密钥分发的最初演示时就开始了。在那以后，英国、美国、日本、中国等国家都在探索城市间的量子通信网络，而现在这场竞赛从地面进入了太空，因为卫星能连接相距遥远的不同都市。中国在发射量子卫星方面走在了前面。
感到激动的还有英国剑桥大学量子物理学教授阿德里安・肯特，他说：“我对中国发射量子卫星这事感到很兴奋。”他认为，这是为使用量子技术构建全球性安全通信网络迈出的“第一步”。
德国整合量子科学和技术中心负责人托马索・卡拉尔科说：“中国发射全球首颗量子卫星意义重大，在实现全球安全量子通信的道路上迈出了决定性的一步。”
解读卫星意义
科学家们还从不同角度解读了量子卫星的意义。美国马萨诸塞大学的量子专家王晨说，用卫星参与量子通信，主要是可以减少搭载信号的光子在远距离传输中的损耗。因为与在光纤和地面空气中传播相比，光子在太空中的传输损耗更小。
谢尔吉延科给出了更详细的解释。他说，地面上量子通信的主要限制是距离，因为即便最好的光纤也有固有损耗，目前量子通信通常的运行距离只有50到100公里。虽然也有一些量子通信实验的距离达到了250到300公里，但没有太大实际用处，因为这是以可用性极低的密钥分发速率作为代价换取的。通过使用卫星，可以把地球表面距离相当遥远的两个点通过天上的一个节点连接起来。
有的科学家则提到中国量子卫星影响的不只是量子通信，还有量子计算。阿德里安・肯特说，中国的量子卫星“对未来最终形成一个分布式的量子计算网络也非常重要”。
肯特还提到了中国卫星对国际科学合作的意义，因为这个卫星项目中还有奥地利科学家是合作方。肯特说：“科学是无边界的，中国和奥地利科学家合作的这个量子卫星项目正是让人兴奋的明证。”
奥地利著名量子科学家安东・蔡林格参与了中国量子卫星项目，他认为中国卫星会带动全球相关领域的发展，因为如果中国团队取得成功，那么其他团队将更容易获得对量子卫星的资助。
如何影响生活
那量子卫星会怎样影响我们的生活呢？卡拉尔科说：“基于量子的技术如今已进入我们的日常生活，没有量子力学，我们就不会有晶体管和激光器，也不会有计算机和互联网。”他说，量子卫星可能会促进相关领域进一步发展，令现有技术更加准确、灵敏、安全且性能更佳。
王晨强调了量子通信可以从物理学原理上保证传输的信息不会被窃听的特点，除了国家有保密用途之外，对普通人来说，量子通信也会在保护商业机密以及个人隐私方面很有意义。
光纤通信技术发展所涉及的范围,无论从影响力度还是影响广度来说都已远远超越其本身,并对整个电信网和信息业产生深远的影响｡它的演变和发展结果将在很大程度上决定电信网和信息业的未来大格局,也将对21世纪的社会经济发展产生巨大影响｡本文仅从五个方面加以论述｡
纳米技术与光通信
纳米是长度单位,为10-9米,纳米技术是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用｡建立在微米/纳米技术基础上的微电子机械系统(MEMS)技术目前正在得到普遍重视｡在无线终端领域,对微型化､高性能和低成本的追求使大家普遍期待能将各种功能单元集成在一个单一芯片上,即实现SOC(System On a Chip),而通信工程中大量射频技术的采用使诸如谐振器,滤波器､耦合器等片外分离单元大量存在,MEMS技术不仅可以克服这些障碍,而且表现出比传统的通信元件具有更优越的内在性能｡德国科学家首次在纳米尺度上实现光能转换,这为设计微器件找到了一种潜在的能源,对实现光交换具有重要意义｡
可调光学元件的一个主要技术趋势是应用MEMS技术｡In-Stat/MDR预测,在光学网络中应用MEMS的销售额将由2001年的3310万美元增至2006年的18亿美元,MEMS技术可使开发就地配置的光器件成为可能,用于光网络的MEMS动态元件包括可调的激光器和滤波器､动态增益均衡器､可变光衰减器以及光交叉连接器等｡此外,MEMS技术已经在光交换应用中进入现场试验阶段,基于MEMS的光交换机已经能够传递实际的业务数据流,全光MEMS光交换机也正在步入商用阶段,继朗讯科技公司的“Lamda-Router”光MEMS交换机之后,美国Calient Networks公司的光交叉连接装置也采用了光MEMS交换机｡
光交换是实现高速全光网的关键
光交换是指光纤传送的光信号直接进行交换｡长期以来,实现高速全光网一直受交换问题的困扰｡因为传统的交换技术需要将数据转换成电信号才能进行交换,然后再转换成光信号进行传输,这些光电转换设备体积过于庞大,并且价格昂贵｡而光交换完全克服了这些问题｡因此,光交换技术必然是未来通信网交换技术的发展方向｡
未来通信网络将是全光网络平台,网络的优化､路由､保护和自愈功能在未来光通信领域越来越重要｡光交换技术能够保证网络的可靠性,并能提供灵活的信号路由平台,光交换技术还可以克服纯电子交换形成的容量瓶颈,省去光电转换的笨重庞大的设备,进而大大节省建网和网络升级的成本｡若采用全光网技术,将使网络的运行费用节省70%,设备费用节省90%｡所以说光交换技术代表着人们对光通信技术发展的一种希望｡
为了使美梦早日成真,将理想变为现实,目前,全世界各国都正在积极研究开发全光网络产品,其中关键产品便是光变换技术的产品｡据CIR市场报告预测,到2005年,美国光交换技术将创造11亿美元的市场机会｡目前市场上的光交换机大多数是光电和光机械的,随着光交换技术的发展和成熟,基于热学､液晶､声学､微机电技术的光交换机将会研究和开发出来,其中以将纳米技术为基础的微电子机械系统MEMS应用于光交换产品的开发更会加速光交换技术的发展｡
无源光网络(PON)技术
无源光网络是一种很有吸引力的纯介质网络,避免了外部设备的电磁干扰和雷电影响,减少了线路和外部设备的故障率,提高了系统可靠性,同时节省了维护成本,是电信维护部门长期以来期待的技术｡无源光网络作为一种新兴的覆盖“最后一公里”的宽带接入光纤技术,其在光分支点不需要节点设备,只需安装一个简单的光分支器即可,因此具有节省光缆资源､带宽资源共享､节省机房投资､设备安全性高､建网速度快､综合建网成本低等优点｡
PON包括APON､EPON和GPON三种:ATM-PON(APON,即基于ATM的无源光网络), APON 在传输质量和维护成本上有很大优势,其发展目前已经比较成熟,国内的烽火通信､华为等厂商都有实用化的APON产品;
Ethernet-PON(EPON,基于以太网的无源光网络), EPON是基于以太网的无源光网络,为了克服APON标准缺乏视频能力､带宽不够､过于复杂､造价过高等缺点,EPON应运而生;
GPON(Gigabit PON),GPON是一种按照消费者的需求而设计､运营商驱动的解决方案｡具有高达2.4Gb/s速率,能以原格式传送多种业务,效率高达90%以上,是目前世界上最为先进的PON系统,是解决“最后一公里” 瓶颈的理想技术｡
在这里我们重点介绍一下EPON｡
1､EPON的发展现状
EPON是几个最佳技术和网络结构的结合｡EPON作用点到多点结构,无源光纤传输方式,在以太网上提供多种业务｡目前,IP/Ethernet应用占到整个局域网通信的95%以上,EPON由于使用经济高效的结构,是连接接入网最终用户的一种最有效的通信方法｡
目前接入网仍是大容量局域网和骨干网之间的瓶颈,在用户侧的本地网络已经普遍具有支持10M至100M速率的能力,在城域网侧已经可以支持千兆和万兆速率,但用户和城域网之间数据的传送速率却大部分不足1M甚至只有几十K｡接入网在整个通信网中的地位应该得到加强｡EPON在全光网中的地位更显重要｡
2､EPON的应用与特点
接入网采用电信运营级的以太网技术EPON,将形成从局域网､接入网､城域网到广域网全部是以太网结构,大大提高整个网络的运行效率｡EPON的特点和应用优势表现在如下几个方面:
EPON是一种面向未来的技术,它是一个多业务平台,可以同时提供IP业务和传统的TDM业务｡QOS可以得到完全保证,并遵循IEEE 802.3ah标准｡
EPON带宽分配灵活,对带宽的分配和保证有一套完整的体系,实现用户级的服务水平协议SLA｡还可根据需要对每个用户甚至每个端口实现基于连接的带宽分配,并可根据业务合约保证每个用户连接的QOS｡
EPON可使运营商大大降低运营维护费用｡因为大楼内不用机房､无需供电设备,支持远端光网络单元/光网络终端(ONU/ONT)的自动测距和自动加入,网络扩容便利,尤其是局端设备和用户端设备为统一网管｡
EPON系统能提供可调节的､有优先级和带宽保证的服务,将非常具有吸引力｡届时可使用长距离､宽带宽(20km､1.25G)的光纤接入和传输,非常适合于光纤到楼或光纤到办公室的应用｡
“虚拟光纤”技术(FSO)
FSO即自由空间光通信系统,是以激光为载体,用点对点或点对多点的方式在空中实现连接,FSO技术具有与光纤技术相同的带宽传输能力,理论上甚至没有带宽上限,使用与光纤相似的光学发射器和接收器,甚至还可以在自由空间实现波分复用(WDM)技术,因此获得了“虚拟光纤”的桂冠｡
FSO作为一种宽带接入方式,可以传输数据､语音和影像等,具有高带宽､低误码率､安装快速､使用方便､灵活自如､安全可靠等优点,其缺点是受恶劣天气影响较大｡它应用范围广,在一些特殊地区也可使用｡如在城市密集区短距离通信方面有很大优势,它施工方便､工期短､价格低,尤其是在一些难以跨越的布线障碍或对建网速度要求快的情况下,FSO可以代替光纤进行网络连接｡
随着信息化时代的到来,FSO的应用也不断拓展,在那些设有光纤连接的中小企业､在建筑物比较分散的企业局域网子网之间,尤其是在一些不宜布线的场所,如古建筑､具有危险性的工厂及车间等,都离不开FSO｡据国际机构预测,FSO市场在2005年将达到8.65亿~20亿美元｡
作为光纤设备的备份设备,FSO也责无旁贷,如银行､证券公司､政府机关等重要部门时刻不能中断通信｡3G移动通信的不断升温,也促进FSO行业的大发展｡因为3G需要密集的基站布置,而FSO可以比微波更便于实现新建基站和已有基站的互连｡
光通信的未来―――光孤子通信系统
在常规的线性光纤通信系统中,光纤损耗和色散是限制其传输容量和距离的主要因素｡由于光纤制作工艺的不断提高,光纤损耗已接近理论极限,因此光纤色散已成为实现超大容量､超长距离光纤通信的“瓶颈”,亟待解决｡人们用了一百多年的时间来探讨,发现由光纤非线性效应所产生的光孤子可以抵消光纤色散的作用,利用光孤子进行通信,可以很好解决这个问题,从而形成了新一代光纤通信系统,也是21世纪最有发展前途的通信方式｡
任何事物都是在发展中前进,光通信在超长距离､超大容量发展进程中,遇到了光纤损耗和色散的问题,限制了其发展的空间｡科学家和业内人士受自然界的启发,发现了特殊的光孤子波,人们设想在光纤中波形､幅度､速度不变的波就是光孤子波｡利用光孤子传输信息的新一代光纤通信系统,真正做到全光通信,无需光､电转换,可在超长距离､超大容量传输中大显身手,是光通信技术上的一场革命｡
1､线性光纤通信系统的发展及其局限
(1)线性光纤通信系统是当前无与伦比的信息传输方式
当前的光纤通信属线性光纤通信系统｡线性光纤通信容量比电缆通信容量大10亿倍,一根比头发丝还细的光纤可以传输几万路电话和几千路电视,由20根光纤组成的光缆,每天可通话7.62万人次,而1800根铜线组成的电缆,每天只能通话900人次｡线性光纤通信还具有不受大气干扰､中继距离长(可达200km)､信息容量大(2000Mbit/km)､重量轻､占空小､抗电磁干扰强､绝缘性好､串话小､保密性强等优点,是当今最好最主要的信息传输方式｡
(2)线性光纤通信的向前发展受到阻力限制
我们知道光纤的损耗和色散是限制线性光纤通信系统传输距离和容量的两个主要因素,尤其在Gbit/s以上的高速光纤通信系统中,色散将起主要作用,即由于脉冲展宽将使系统容量减少,传输的距离受到限制｡
①光纤损耗
光脉冲在光纤中传输时有光损耗,这就使光的能量不断地衰减,为了实现长距离的传输,就得在一定距离上建立中继站,以使衰减的光信号增强,中继站是由检测器､调制器和激光器所组成的光电组合系统｡现在,线性光纤通信系统的传输速率可达到2Gbits/s｡10Gbits/s的线性光纤通信系统正在研制中｡要达到如此高的传输速率时,检测器和强度调制器已受到电子响应时间的限制,中继站的造价也十分昂贵,限制了线性光纤通信系统传输速率的进一步提高｡
目前,在1.55μm波长处,光纤损耗己做到0.18dB/km,使光信号无中继传输距离达100km,这一数值已接近理论极限值0.1dB/km,在光纤损耗方面已无太大潜力可挖｡
②光的色散
光的色散指的是由于物质的折射率与光的波长有关系而发生的一种现象｡对于一定物质,折射系数n是波长λ的一定函数:
n=f(λ)
决定折射率n随波长λ而改变快慢的量,称为物质的色散｡
色散怎样使光脉冲信号在传输时展宽｡由于任一光脉冲都可以表示为不同频率分量的组合,当色散效应存在时,使得光脉冲中不同频率分量的运动速度不一致,这样就使得光脉冲在传输过程中发生变形｡研究表明,在光纤的正常色散区域中和反常色散区域中,光脉冲传输的特性是不同的｡在光纤的正常色散区域中,光脉冲的较高频率分量(蓝移)比较低的频率分量(红移)传输得慢,而在光纤的反常色散区域中,蓝移比红移传输得快,其群速度色散(GVD,Group Velocity Dispersion)效应的最终结果导致光脉冲展宽｡所以色散便是线性光纤通信系统继续提高的主要阻力｡解决这一难题的是非线性光纤通信系统―――光孤子通信系统｡
2､非线性光纤光孤子通信系统的构成
(1)光孤子通信系统的基本组成
目前已提出的光孤子通信实验系统的构成方式种类较多,但其基本部件却大体相同,图1所示即为其基本组成结构｡
图中的孤子源并非严格意义上的孤子激光器,而只是一种类似孤子的超短光脉冲源,它产生满足基本光孤子能量､频谱等要求的超短脉冲｡这种超短光脉冲,在光纤中传输时自动压缩､整形而形成光孤子｡电信号脉冲源通过调制器将信号载于光孤子流上,承载的光孤子流经EDFA放大后进入光纤传输｡沿途需增加若干个光放大器,以补偿光脉冲的能量损失｡同时需平衡非线性效应与色散效应,最终保证脉冲的幅度与形状稳定不变｡在接收端通过光孤子检测装置､判决器或解调器及其它辅助装置实现信号的还原｡
(2)与普通线性光纤通信系统的不同
①EDFA掺铒光纤放大器
光孤子在使用EDFA的系统中能稳定传输的特性是光孤子通信能实用的一个关键｡因为光纤的损耗不可避免要消耗孤子能量,当能量不满足孤子形成的条件时,脉冲丧失孤子特性而展宽,但只要通过EDFA掺铒光纤放大器给孤子补充能量,孤子即自动整形｡利用孤子这一特性,可进行全光中继,不再需要像常规光纤通信系统那样在中继站进行光―――电―――光的转换,实现了全光传输,一般每30~50km加一个EDFA,是一种集总式能量补充方式｡
②预加重技术
预加重技术,也称为动态光孤子通信｡在上述集总式能量补充系统中,即使光纤的色散有抖动,这种孤子也是稳定的｡在放大器的间距与孤子的特征长度可比拟时,如果使进入光纤的脉冲峰值功率大于基态孤子所要求的峰值功率,则所形成的孤子也能长距离稳定传输,这种技术通常被称为预加重技术,也称为动态光孤子通信｡
③抑制戈登―豪斯效应
所谓戈登―豪斯效应是一种抖动｡采用放大器的自发辐射噪声,是一种不可避免的热噪声,它与孤子相互作用后,造成孤子中心频率的随机抖动,进而引起孤子到达接收端的抖动,即戈登―豪斯效应｡这一效应是限制孤子传输系统容量､放大器间隔等系统指标的重要因素｡解决的办法是在放大器后加一个带通滤波器即能较好的抑制戈登―豪斯效应｡
④波分复用技术
光孤子也可实现波分复用,即利用不同波长的光孤子在同一光纤中传输;也可利用不同偏振方向的光孤子在同一光纤中传输,即偏振复用,进一步提高传输质量和容量｡
3､国内外光孤子通信走向实用的动态
(1)光孤子通信研究的三个阶段
①1973至1980年为第一阶段
首先将光孤子应用于光通信的设想是由美国贝尔实验室的A.Hasegawa于1973年提出的,他经过严格的数学推导,大胆地预言了在光纤地负色散区可以观察到光孤子的存在,并率先开辟了这一领域的研究工作,拉开了这一阶段以理论研究的序幕｡
②1981至1990年为第二阶段
主要工作是关键部件的研制｡自从70年代初提出光孤子的概念以来,由于以后的十多年未能有效地观察到光孤子的存在,直到1983年,美国贝尔实验室的Mollenauer研究小组首次研制成功了第一支色心锁模孤子激光器CCL,从而揭开了实验研究的序幕｡
③1991年至今为第三阶段
主要工作是建立实验系统并向实际应用迈进｡在这阶段,半导体激光器和EDFA在光孤子通信试验系统中的成功应用,拉开了光孤子通信走向实用化的序幕｡科学家认为,本世纪初,全光通信将走向实用化｡
(2)光孤子通信在美国和日本的实用化进程
在全世界范围,全光通信系统已在横跨大西洋的TAT-10系统和横跨太平洋的TPC-15系统上首先应用｡在光孤子通信领域,美国和日本拥有领先地位｡
①美国
美国贝尔实验室Mollenauer研究小组的实验系统是世界上最早的光孤子实验系统,他们首次检测出脉宽为10ps的光孤子经10km传输无明显变化,从而首次从实验上证实了光孤子传输的可能性｡
美国贝尔实验室已成功地将激光脉冲信号传输了5920km,还利用光纤环实现了5Gbit/s､传输15000km的单信道孤子通信系统和传输11000km总码速达到10Gbit/s的双信道波分复用孤子通信系统;美国光谱物理公司已制成能产生4X10-13s的孤立波脉冲信号器件｡
②日本
1995年,在日本东京地区的光纤局域网上,NTT公司首次实现了10Gbit/s､2000km的光孤子现场直通测试,从而将实验室内的实验转升为现场实验,在实用化进程中迈出了十分重要的一步｡
日本利用普通光缆线路成功地进行了超高20Tbit/s､远距离1000km孤立波通信;日本电报电话公司在1992年推出速率为10Gbit/s､能传输12000km的直通光孤子通信实验系统｡
(3)光孤子通信在中国
①1994年“掺铒光纤放大器EDFA”通过鉴定
由武汉邮电科学研究院研制的掺铒光纤放大器EDFA,具有增益高､噪声低､增益特性与光偏振状态无关､在多路系统中信道交叉串拢通常可以忽略等一系列优点,达到了世界先进水平｡在光端机的发送端加后置式掺铒光纤放大器,在接收端加低噪声前置掺铒光纤放大器,就可以使2.488Gbit/s系统具有跨越100~250km无中继距离的能力,并可大大降低中继成本｡
②1999年“OTDM光孤子通信关键技术研究”通过验收
该项目成功研制了增益开关激光器和2.5Gbit/s的RZ脉冲光接收机,并在以下各技术领域取得成功:
a.采用色散补偿光纤对光脉冲进行压缩;
b.采用2.5Gbit/s~20Gbit/s的光信号复用;
c.从20Gbit/s的复用系统中提取2.5Gbit/s电时钟;
d.采用非线性光学环路实现2.5~20Gbit/s的解复用;
e.采用啁啾光栅对20Gbit/s信号在标准单模光纤中传输105km后造成的色散进行补偿;
f.研制2.5Gbit/s铌酸钾强度调制发送单元;
g.进行20Gbit/s､105km的光纤传输｡
4､光孤子通信的优越性及其展望
(1)光孤子通信的优越性
①光孤子通信系统极大地提高了传输容量和距离
综上所述,光孤子通信克服了色散的制约,当光强度足够大时会使光脉冲变窄,脉冲宽度不到一个ps,可使光纤的带宽增加10~100倍,极大地提高了传输容量和传输距离,尤其是当光速度超过10Gbit/s时,光孤子传输系统显示出明显的优势｡光孤子通信作为新一代光纤通信系统在洲际陆地通信和跨洋通信等超长距离､超大容量通信系统中大显身手｡
②光孤子通信系统从根本上改进了耦合损耗和兼容问题
光孤子通信系统不但容量大､频带宽､增益高,更可贵的是它能够从根本上改进现有通信中的光电器件和光纤耦合所带来的损耗和兼容问题,是一场光纤通信的革命｡
③光孤子通信系统解决了高温自动控制和测量
光孤子通信系统由于没有使用电子元件,可以在很高的温度下工作,甚至是1000度的高温｡这对高温条件下的自动控制或测量具有划时代的意义,为人类提供了新的理想的传输系统,意义重大｡
(2)光孤子通信的未来展望
非线性光纤光孤子通信是一种全新的超高速､大容量､超长距离的通信技术｡信息传输容量比现在最好的线性光纤通信系统还要高出1至2个数量级｡该系统将成为21世纪的主要通信系统｡
