摘 要:量子通信具有更高的傳輸速率和更可靠的保密性，是世界各國正在研究和發(fā)展的通信技術(shù)熱點(diǎn)之一。首先介紹量子通信技術(shù)的基本概念、發(fā)展歷程、系統(tǒng)架構(gòu)、特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，然后重點(diǎn)闡述國內(nèi)外量子密鑰分配、量子隱形傳態(tài)、量子安全直接通信、量子機(jī)密共享等技術(shù)的研究進(jìn)展情況，最后分析量子通信技術(shù)研究和發(fā)展過程中面臨的困難及局限。關(guān)鍵詞:量子通信 密鑰分配 隱形傳態(tài) 機(jī)密共享中圖分類號(hào):

0 引 言量子通信基于量子力學(xué)原理，將微觀世界的物

質(zhì)特性運(yùn)用到通信技術(shù)上，在高速傳輸和高可靠保

密通信方面具有優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)今通信技術(shù)領(lǐng)域的研

究熱點(diǎn)之一。世界各國紛紛投入大量的人力和物力進(jìn)行研究和開發(fā)，在理論研究和實(shí)驗(yàn)技術(shù)上均取得

了重大突破。

1 量子通信技術(shù)

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(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型通信技術(shù)，由量子論和信

息論相結(jié)合而產(chǎn)生

［1］。從物理學(xué)角度看，量子通信

是在物理極限下利用量子效應(yīng)現(xiàn)象完成的高性能通

信，從物理原理上確保通信的絕對(duì)安全，解決了通信

技術(shù)無法解決的問題，是一種全新的通信方式

［2］。從信息學(xué)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)攘孔犹匦裕柚孔訙y量的方法

實(shí)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(shù)的重要發(fā)展方向。

1． 2 發(fā)展歷程

量子通 信 的 研 究 發(fā) 展 起 步 于 20 世 紀(jì) 80 年代［3］。1969 年，美國哥倫比亞大學(xué) Wiesner 提出采用量子力學(xué)理論保護(hù)信息安全的設(shè)想。1979 年，美國 IBM 公司的 Bennett 和加拿大蒙特利爾大學(xué)的Brassard 提出了將 Wiesner 的設(shè)想用于通信傳輸?shù)臉?gòu)想。1981 年，F(xiàn)eynman 提出了傳輸量子信息的假設(shè)，確立了量子信息論的開端。1982 年，法國艾倫·愛斯派克特通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了微觀粒子存在"量子糾纏"現(xiàn)象。1984 年，Bennett 和 Brassard 提出了量子密鑰分發(fā)( QKD) 的概念和第一個(gè)量子密鑰分發(fā)協(xié)議( BB84 協(xié) 議) ，標(biāo) 志 著 量 子 通 信 理 論 的 誕 生。1989 年，通過自由空間信道，完成了量子通信的第一個(gè)演示性實(shí)驗(yàn)通訊，通信距離為 32 cm。1992 年，Ben-nett 提出了基于兩個(gè)非正交量子態(tài)的量子密鑰分發(fā)協(xié)議，被稱為 B92 協(xié)議。

1993 年，Bennett 首次正式提出量子通信概念。同年，6 位不同國家的科學(xué)家，利用經(jīng)典信道與量子糾纏 相 結(jié) 合 方 法，設(shè) 計(jì) 出 了 量 子 隱 形 傳 送 方 案。1997 年，奧地利科學(xué)家首次完成室內(nèi)量子態(tài)隱形傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)驗(yàn)證; 2004 年，通過光纖信道，實(shí)現(xiàn)量子態(tài)隱形傳輸 600 米。2007 年 6 月，歐洲科學(xué)家根據(jù)BB84 方案，通過衛(wèi)星進(jìn)行量子通信測試，通信距離達(dá) 144 公里。2008 年，意大利和奧地利科學(xué)家首次識(shí)別出從地球上空 1500 公里處的人造衛(wèi)星上反彈回地球的單批光子，實(shí)現(xiàn)了太空量子保密通信的重

大突破。2012 年，中國和奧地利科學(xué)家分別實(shí)現(xiàn)了百公里量級(jí)的量子隱形傳態(tài)，為星地間量子通信技

術(shù)研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，隨著點(diǎn)對(duì)點(diǎn) QKD 技術(shù)的成熟，基于量子

密鑰分發(fā)技術(shù)的中小型規(guī)模的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)在

美國、歐盟、日本、中國等得到的多次實(shí)驗(yàn)演示驗(yàn)證，QKD 技術(shù)已經(jīng)逐步接近實(shí)用化。2004 年，美國雷神公司組和波士頓大學(xué)在 DAＲPA 支持下建了世界上第一個(gè)量子密碼通信網(wǎng)絡(luò); 2008 年，歐盟"基于量子密碼的全球保密通信網(wǎng)絡(luò)"( SECOQC) 研發(fā)項(xiàng)目組建的 7 節(jié)點(diǎn)量子保密通信演示驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行成功;2009 年，由日本國家情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)( NICT) 主導(dǎo)，聯(lián)合日本 NTT、NEC 和三菱電機(jī)，并邀請(qǐng)到東芝歐洲有限公司、瑞士 ID Quantique 公司和奧地利 AllVienna 共同協(xié)作在東京建成了六節(jié)點(diǎn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)"Tokyo QKD Network"，集中展示了歐洲和日本在量子通信技術(shù)上的最新技術(shù); 2010 年起，美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室秘密構(gòu)建了城域量子通信

網(wǎng)絡(luò)，直到 2013 年才公布; 中國先后建設(shè)了蕪湖、合肥、濟(jì)南、北京等量子城域網(wǎng)，在 QKD 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用探索方面走在世界前列。國慶 60 周年之際，中國在天安門城樓、中南海、國慶閱兵指揮部等地點(diǎn)之間構(gòu)建的實(shí)時(shí)語音加密量子通信熱線。總之，經(jīng)過近 30 年的發(fā)展，從技術(shù)指標(biāo)上來講，國際上 QKD 系統(tǒng)最遠(yuǎn)傳

輸距離達(dá) 300 km，在通信距離為 50 km 條件下安全碼率可達(dá) 1 Mb /s，城域量子通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目達(dá)幾十個(gè)。市場上至少有 5 家公司銷售商用 QKD 產(chǎn)品，其中包括瑞士的 ID Quantique 公司，美國的 MagiQ公司，法國的 Smar Quantum 公司，中國的問天量子科技公司和量子通信科技公司。本領(lǐng)域當(dāng)前研究的主要集 中 于 推 進(jìn) QKD 技 術(shù) 的 實(shí) 用 化，解 決 實(shí) 際QKD 系統(tǒng)的安全性、實(shí)用性及大規(guī)模量子通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用探索問題。

1． 3 體系架構(gòu)

量子通信體系架構(gòu)包括量子態(tài)發(fā)生器、量子通道和量子測量裝置等部分，其基本模型如圖 1 所示。

圖 1 量子通信系統(tǒng)基本模型Fig． 1 Basic model of quantum communication systems

量子通信系統(tǒng)包括量子信源、量子編碼、量子解碼、量子調(diào)制、量子解調(diào)、量子傳輸信道、量子測量裝置、量子輔助信道和量子信宿等部分［4］，其中: 量子信源是量子信息( 表現(xiàn)形式為量子態(tài)) 產(chǎn)生器; 量子

信宿用于接收量子信息; 量子編碼負(fù)責(zé)將量子信息

轉(zhuǎn)換成量子比特; 量子解碼負(fù)責(zé)將量子信息比特轉(zhuǎn)

換成信息。信道分成量子傳輸信道與輔助信道兩部分，量子傳輸信道傳輸量子信息，輔助信道是除量子

傳輸信道和測量信道之外的附加信道 ( 如經(jīng)典信

道) 。量子噪聲是通信環(huán)境對(duì)量子信號(hào)產(chǎn)生的影響等效描述。目前，在量子通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)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(shí)現(xiàn)量子信息的交互

和同步，獲取量子密鑰。

1． 4 特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

量子通信與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，具有如下主要

特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì):①時(shí)效性高。量子通信的線路時(shí)延近乎為零，量子信道的信息效率相對(duì)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。

②抗干擾性能強(qiáng)。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(guān)，不受空間環(huán)境的影響，具有完好的抗干擾性能。

③保密性能好。根據(jù)量子不可克隆定理，量子信息一經(jīng)檢測就會(huì)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)。

④隱蔽性能好。量子通信沒有電磁輻射，第三方無法進(jìn)行無線監(jiān)聽或探測。

⑤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 ～ 40 dB。⑥應(yīng)用廣泛。量子通信與傳播媒介無關(guān)，傳輸不會(huì)被任何障礙阻隔，量子隱形傳態(tài)通信還能穿越大氣層。因此，量子通信應(yīng)用廣泛，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。

2 量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，世界各國學(xué)者對(duì)于量子通信技術(shù)開展的

研究，主要集中在量子密鑰分配 ( QKD，QuantumKey Distribution) 、量子隱形傳態(tài)( Quantum Teleporta-tion) 、量 子 安 全 直 接 通 信 ( QSDC，Quantum SecureDirect Communication ) 、量子機(jī)密共享 ( QSS，Quan-tum Secret Sharing) 等 4 個(gè)方面［5］。

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(xué)的測不準(zhǔn)關(guān)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(xué)與量子力

學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。QKD 技術(shù)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。基于 QKD 技術(shù)的保密通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖 2所示。

圖 2 基于 QKD 的量子保密通信系統(tǒng)Fig． 2 Quantum secure communication system based on QKD

目前，各國學(xué)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(hào)源的不同大概可分為三

類: 一是基于單量子的量子密鑰分配方案; 二是基于

量子糾纏對(duì)的量子密鑰分配方案; 三是基于單量子

與量子糾纏對(duì)的混合量子密鑰分配方案。

2． 1． 1 基于單量子的量子密鑰分配方案基于單量子的密鑰分配方案主要有 4 個(gè)［5］:1) BB84 方案。1984 年，Brassard 與 Bennett 聯(lián)合

提出了第一個(gè)實(shí)用型量子密鑰分配系統(tǒng)———BB84 方案，系統(tǒng)架構(gòu)如圖 3 所示。該方案通過量子信道傳送密鑰，量子信道的信息載體是單個(gè)量子，通過量子的

相位、極化方向或頻率等物理量攜帶量子密鑰信息。BB84 方案利用單個(gè)量子作為信息載體兩組共扼基，每組基中的兩個(gè)極化互相正交。由于理想狀態(tài)的量子信道無法實(shí)現(xiàn)，BB84 方案還利用經(jīng)典信道進(jìn)行量子態(tài)測量方法的協(xié)商和碼序列的驗(yàn)證。

2) B92 方 案。1992 年，Bennett 基 于 BB84 方案，設(shè)計(jì)了只用兩個(gè)非正交的量子態(tài)實(shí)現(xiàn)量子密鑰

分配的設(shè)想，即 B92 方案。B92 方案對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求比 BB84 方案低，量子信號(hào)的制備也相對(duì)簡單一些，但效率低、可靠性能差。

3) HKH98 方案。1998 年，Hwang、Koh 和 Han根據(jù) BB84 方案，通過不正交的量子態(tài)不能被克隆的原理，利用控制通信雙方測量基的方法，使通信收

發(fā)雙方對(duì)每一個(gè)量子信號(hào)的制備與測量運(yùn)用相同的

測量基，簡記為 HKH98 方案，又稱作測量基加密量子密鑰分配方案。其編碼方式與 BB84 完全一樣。2． 1． 2 基于量子糾纏對(duì)的量子密鑰分配方案

基于量子糾纏對(duì)的量子密鑰分配方案主要有 3個(gè): ① Ekert91 方 案。1991 年，Ekert 提 出 了 基 于EPＲ 光子對(duì)( 量子糾纏對(duì)) 的量子密鑰分配方案，又稱 EPＲ 方案。該方案基于光子的糾纏特性，但由于目前 EPＲ 光子對(duì)的制備、傳輸、量子存儲(chǔ)及 Bell 不等式的測量技術(shù)還都不夠成熟，實(shí)用性不高。②BBM92 方案。1992 年，Bennett、Brassard 和 Mermin在 Ekert91 的基礎(chǔ)上提出了 BBM92 方案。該方案不用貝爾不等式分析方法來判斷安全性，而是采用了

與 BB84 方案一樣的安全分析方法，在測量上比較容易實(shí)現(xiàn)。該方案也需要 EPＲ 對(duì)，實(shí)際應(yīng)用較難實(shí)現(xiàn)。③Long－Liu 2002 方案。2002 年，我國龍桂魯與劉曉曙提出基于 N 個(gè) EPＲ 對(duì)的 QKD 方案。其設(shè)計(jì)思路是，利用量子糾纏對(duì)作為量子信息的載體，處于糾纏的量子對(duì)的量子態(tài)可以是四種貝爾基態(tài)中的任何一個(gè)。該方案具有高效率和高容量的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是需要克制退相干作用，以及量子序列需要等待

另一個(gè)量子序列傳輸完后才能傳輸。④設(shè)備無關(guān)方案。2007 年，歐洲學(xué)者提出了安全性與系統(tǒng)光源、探測器屬性獨(dú)立的，基于 Bell 不等式測量的 QKD 方案，即所謂設(shè)備無關(guān)( Device Independent) 協(xié)議。該協(xié)議能從理論上解決實(shí)際 QKD 系統(tǒng)的安全漏洞，具有極高的理論研究價(jià)值，是當(dāng)前的學(xué)術(shù)研究熱點(diǎn)。在此協(xié)議基礎(chǔ)之上，各國科學(xué)家還進(jìn)一步拓展出了半設(shè)備無

關(guān)協(xié)議、測量設(shè)備無關(guān)協(xié)議等新思路、新理論。2． 1． 3 基于單量子和量子糾纏對(duì)的混合量子密鑰分配方案

該方案的主要思想是，綜合利用單量子和量子

糾纏對(duì)的量子特性，讓竊聽者沒有辦法獲得量子信

號(hào)的準(zhǔn)確信息。該方案的代表是 2000 年 Cabello 提出的基于 Holevo limit 的量子密鑰分配方案和我國郭光燦小組提出的條件高效多用戶量子密碼通信網(wǎng)

絡(luò)方案。2． 1． 4 國內(nèi)外基于量子密鑰分配的量子通信實(shí)現(xiàn)情況

1) 國外實(shí)現(xiàn)情況。1993 年，英國研究小組首先在光纖中，使用相位編碼的方法實(shí)現(xiàn)了 BB84 方案，通信傳輸距離達(dá) 10 km。1995 年，該小組將距離提升到 30 km。瑞士于 1993 年用偏振光子實(shí)現(xiàn)了 BB84方案，光子波長 1． 3 mm，傳輸距離 1． 1 km，誤碼率 0．54% ; 1995 年，將距離提升到 23 km，誤碼率為 3． 4% ;2002 年，傳輸距離達(dá)到 67 km。2000 年，美國實(shí)現(xiàn)自由空間量子密鑰分配通信，傳輸距離達(dá) 1． 6 km; 2003年，歐洲研究小組實(shí)現(xiàn)自由空間中 23 km 的通信。2008 年 10 月，歐盟開通了 8 個(gè)用戶的量子密碼網(wǎng)絡(luò);同月，日本將量子通信速率提高 100 倍，20 km 時(shí)通信速 率 達(dá) 到 1． 02 Mbit / s ，100 km 時(shí) 通 信 速 率 達(dá)到 10． 1 kbit / s。目前，國外光纖量子密鑰分配的通信距離達(dá) 300 km，量子密鑰協(xié)商速率最高試驗(yàn)記錄在 50 km 光纖傳輸中超過 1 Mb /s。

2) 國內(nèi)實(shí)現(xiàn)情況。2004 年，郭光燦團(tuán)隊(duì)完成了從北京望京———河北香河———天津?qū)氎娴牧孔用荑€分配，距離 125 km。2007 年，趙義博團(tuán)隊(duì)完成四用戶量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)的測試運(yùn)行。2008 年，潘建偉團(tuán)隊(duì)建成基于商用光纖和誘騙態(tài)相位編碼的 3 節(jié)點(diǎn)

量子通信網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)間距離達(dá) 20 km，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通話和 3 方通話。2009 年，郭光燦團(tuán)隊(duì)建成世界上第一個(gè)"量子政務(wù)網(wǎng)"。同年 9 月，中國科技大學(xué)建成世界上第一個(gè) 5 節(jié)點(diǎn)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語音量子密碼通信。2011 年 5 月，王建宇團(tuán)隊(duì)研發(fā)出兼容經(jīng)典激光通信的"星地量子通信系統(tǒng)"，實(shí)現(xiàn)了星地之間同時(shí)進(jìn)行量子通信和經(jīng)典激光通信。2012 年 2 月 17 日，合肥市城域量子通信實(shí)驗(yàn)示范網(wǎng)建成并進(jìn)入試運(yùn)行階段，具有 46 個(gè)節(jié)點(diǎn)，光纖長度 1 700 km，通過 6 個(gè)接入交換和集控站，連接 40 組"量子電話"用戶和 16 組"量子視頻"用戶。2013 年 5 月，中科院在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)星地量子密鑰分發(fā)的全方位地面試驗(yàn)。同年 11 月，濟(jì)南 量 子 保 密 通 信 試 驗(yàn) 網(wǎng) 建 成，包 括 三 個(gè) 集 控

站、50 個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)。我國計(jì)劃在 2016 年左右發(fā)射"量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星"，將實(shí)現(xiàn)高速星地量子通信并連接地面的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

2． 2 量子隱形傳態(tài)

量子隱形傳態(tài)( Quantum Teleportation) 又稱量子遠(yuǎn)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(gè)量子的未知量子態(tài)傳送到另一個(gè)

地方，然后將另一個(gè)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(duì)的遠(yuǎn)程關(guān)聯(lián)，通過對(duì)其中一個(gè)糾纏量子和某一個(gè)未

知量子態(tài)進(jìn)行一些本地測量，實(shí)現(xiàn)這個(gè)未知量子態(tài)

在另一個(gè)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_(dá)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(shí)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。量子隱形傳態(tài)是當(dāng)前量子通信技術(shù)研究和發(fā)展

的重要方向之一。在理論研究方面，自從 1993 年Bennett 等人提出分離變量的量子隱形傳態(tài)方案后，相關(guān)學(xué)者提出的方案有: Davidovich L 等人的基于Bell 基聯(lián)合測量方案; Vaidmand L 等人的連續(xù)變量方案; Brassard G 等人提出的利用受控非門和單個(gè)量子比特操作所構(gòu)成的量子回路方案; Barenco A 等人的量子態(tài)交換方案; Cirac 及中國鄭仕標(biāo)和郭光燦等人的基于腔量子電動(dòng)力學(xué) ( 腔 QED) 的方案及利用 原 子 與 光 腔 相 互 作 用 來 實(shí) 現(xiàn) 量 子 態(tài) 的 方 案;

光燦等人的利用非局域測量實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的隱形傳送

方案; 鄭亦莊等人利用非最大糾纏態(tài)作為量子通道，

實(shí)現(xiàn)三粒子糾纏 W 態(tài)的隱形傳送方案; Ｒoa L 等人提出的一種 d 維的量子系統(tǒng)的隱形傳態(tài)方案等。

在實(shí)驗(yàn)進(jìn)展方面［6］，1997 年奧地利 Zeilinger 小組首次實(shí)驗(yàn)成功了量子隱形傳態(tài)通信; 1998 年初 ，意大利 Ｒome 小組實(shí)現(xiàn)將量子態(tài)從糾纏光子對(duì)中的一個(gè)光子傳遞到另一個(gè)光子上的方案; 同年底 ，美

國 CIT 團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)變量( 連續(xù)相干光場) 的量子隱形傳態(tài)，美國學(xué)者用核磁共振 ( NMＲ) 的方法，實(shí)現(xiàn)了核自旋量子態(tài)的隱形傳送。2001 年 ，美國Shih Y H 團(tuán)隊(duì)在脈沖參量下轉(zhuǎn)換中 ，利用非線性方法實(shí) 施 Bell 基 的 測 量 ，完 成 量 子 隱 形 傳態(tài)。2002 年，澳大利亞學(xué)者將信息編碼的激光束進(jìn)行了"遠(yuǎn)距傳物"。1997 年，我國潘建偉和荷蘭學(xué)者波密斯特等人合作，首次實(shí)現(xiàn)了未知量子態(tài)的遠(yuǎn)程

傳輸; 2004 年，潘建偉小組在國際上首次實(shí)現(xiàn)五光子糾纏和終端開放的量子態(tài)隱形傳輸，此后又首次

實(shí)現(xiàn)了 6 光子、8 光子糾纏態(tài); 2011 年，在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)了百公里量級(jí)的自由空間量子隱形傳態(tài)

和糾纏分發(fā)，解決了量子通訊衛(wèi)星的遠(yuǎn)距離信息傳

輸問題。2012 年 9 月，奧地利、加拿大、德國和挪威研究人員，實(shí)現(xiàn)了長達(dá) 143 公里的"隱形傳輸"。

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(xué)相關(guān)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通訊，特別是機(jī)密信息的通信技術(shù)［7］。

QSDC 是量子通信技術(shù)的一個(gè)重要分支，主要用于直接傳輸機(jī)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(jìn)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。2000 年，我國龍桂魯和劉曉曙提出了第一個(gè)

"高 效 兩 步"量 子 安 全 直 接 通 信 方 案。2001 年，Beige 等人首次提出了確定的安全通信概念。隨后，Bostrom 提出"ping－pong"方案，這是第一個(gè)真正的QSDC 方案; 鄧富國提出了基于 EPＲ 糾纏的兩步( Two－step) QSDC 方案; Zhu 提出了秘密傳送有序量子的 QSDC 方案; Gu 提出了具有身份認(rèn)證、基于密集編碼和在噪聲下的 QSDC 方案等。近幾年又又出

現(xiàn)了一些基于 W 態(tài)的 QSDC 方案等。但總體而言，QSDC 方案還存在非實(shí)時(shí)及其量子信道信息所需要的糾纏態(tài)、量子存儲(chǔ)等技術(shù)還不成熟的問題。

2． 4 量子機(jī)密共享( QSS)

量子機(jī)密共享是經(jīng)典的機(jī)密共享在量子通信中

的運(yùn)用和發(fā)展［5］。1979 年，Shamir 和 Blakley 分別提出了經(jīng)典的機(jī)密共享概念，旨在對(duì)重要的密鑰進(jìn)

行安全保護(hù)，使即便部分或全部密鑰被第三方竊取

也難以恢復(fù)出真實(shí)的密鑰。其主要實(shí)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(gè)用戶，每個(gè)用戶都只能獲取一份或多份密鑰份額，

只有在多個(gè)密鑰分享者合作下，才能恢復(fù)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(jī)密共享方案，可以在分享機(jī)密信息的同時(shí)，防止不誠實(shí)用戶的破壞企圖。

量子機(jī)密共享是多個(gè)通信方之間通過多量子糾纏態(tài)實(shí)現(xiàn)的量子通信，但現(xiàn)實(shí)應(yīng)用技術(shù)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(gè)量子機(jī)密共享方案，隨后，各國學(xué)者又相繼提出了大約十幾種理論方案，包括共享一個(gè)未知態(tài)的一些方案，并于 2001 年在實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了演示。

3 量子通信技術(shù)發(fā)展面臨的問題

量子通信技術(shù)研究和發(fā)展面臨的問題主要有:

①速率、傳輸距離、抗干擾性能有局限性。基于量子密鑰分配或量子隱形傳態(tài)的量子通信技術(shù)，在現(xiàn)有

條件下，都不能或者極難超越經(jīng)典通信系統(tǒng)在通信

速率、通信距離、抗干擾等方面的性能。現(xiàn)有光量子傳輸速率仍達(dá)不到光纖傳輸?shù)?G 比特每秒數(shù)量級(jí)。光纖量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)安全碼率在 50 km 傳輸距離下達(dá) 1 Mb /s，最遠(yuǎn)傳輸距離達(dá) 300 km。未來量子通信技術(shù)要解決的重要技術(shù)問題是將碼率提升至

Gb /s 量級(jí)，將傳輸距離提升至千公里量級(jí)。②理想的量子通信協(xié)議在現(xiàn)實(shí)技術(shù)條件下難以實(shí)現(xiàn)。就單光子通信而言，單光子源生成、量子態(tài)控制及量子測量等技術(shù)并不成熟，不能確保量子信道在不被察覺

的情況下不被竊聽。現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)多采用想干態(tài)激光脈沖結(jié)合誘騙態(tài)協(xié)議，可替代理想單光子技術(shù)，基

本確保系統(tǒng)的無條件安全性。然而，單光子態(tài)的制備、傳輸、存儲(chǔ)、測量技術(shù)仍然是量子通信技術(shù)所需要重點(diǎn)突破的技術(shù)問題。就量子隱形傳態(tài)技術(shù)而言，量子糾纏態(tài)的產(chǎn)生、傳送和儲(chǔ)存技術(shù)還沒有完全攻克，仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。③量子通信技術(shù)在實(shí)際運(yùn)用上還存在安全漏洞。盡管理論上量子密碼不可破解，完全保密，但并由于實(shí)際系統(tǒng)所采用的非理想

物理器件無法完全滿足理論安全性分析中的數(shù)學(xué)物

理模型，故實(shí)際系統(tǒng)仍存在安全漏洞。2008 年，瑞典的拉森和挪威的馬卡羅夫就分別指出了量子通信

體系的漏洞，說明未來的量子通信體系仍存在一些

不確定性，安全上存在漏洞。目前，研究者就實(shí)際量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的光源、信道、探測端的非理想安全漏洞進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)上的深入研究，通過拓展現(xiàn)

有安全性分析理論或增加硬件監(jiān)控模塊可解決現(xiàn)有

安全漏洞。此外，研究者針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)安全性問題還提出了設(shè)備無關(guān)、半設(shè)備無關(guān)協(xié)議，從理論上基本解決了實(shí)際安全性問題，但其實(shí)驗(yàn)條件相對(duì)苛刻。量子通信的實(shí)際安全性研究、設(shè)備無關(guān)協(xié)議的安全性分析是當(dāng)前量子通信技術(shù)的熱點(diǎn)研究問題。④光子損耗及量子退相干問題。在對(duì)量子通信過程時(shí)，如何盡量減小光子損耗，保持量子特性不被破壞，減

少量子退相干效應(yīng)是目前技術(shù)難度較大的技術(shù)問

題。⑤單光子探測技術(shù)問題。單光子探測技術(shù)還不成熟，需要研制高效率、高速率、低噪聲的實(shí)用化單光子探測器，為紅外單光子信息處理提供高靈敏度

的探測手段。

4 結(jié) 語

隨著世界各國對(duì)信息安全的重視和對(duì)通信速率

的旺盛需求，具有安全可靠和高速傳輸優(yōu)勢(shì)的量子

通信，將是未來網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的主流通信技術(shù)。在單光子、量子探測、量子存儲(chǔ)等量子通信關(guān)鍵技術(shù)獲得發(fā)展和突破條件下，量子通信技術(shù)正逐步進(jìn)入實(shí)

用階段。量子通信技術(shù)將在一些重要領(lǐng)域的通信保密中扮演十分重要的角色，成為 21 世紀(jì)通信領(lǐng)域發(fā)展的方向和熱點(diǎn)。