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量子通信的基本原理和特点探析(2)

来源:信息技术与标准化 作者:随之轩;田议
发布于:2017-07-05 共4451字
  (1) 首先传输一段由 0 和 1 组成的随机比特 :10100011 ;(2) 由于量子比特的随机性,接收方收到每个比特时,都有一定概率出错 :例如 10100011 中的第 2、5 位的 0 和第 8 位的 1 出现了错误 ;(3) 这时双方沟通一下,删除错误比特,剩下的比特就是随机产生的正确密码 :11001.
  
   
  故量子通信绝对不会泄密,主要因为量子通信的密钥是随机的,即使被对方窃取也无法获得正确的密钥,更谈不上破解信息。另一个原因是通信双方手中都掌握具有纠缠态的两个粒子,其中一个粒子的量子态发生变化,另一方的量子态也会发生变化,这就是量子论所说的,宏观的任何观察和干扰都会瞬间改变量子态,引起坍塌,窃取者即使已得到信息,但信息已被破坏,所以说量子通信绝对不会泄密。
  
  量子通信学可保证这样的密码不能被窃听,不能被破解,量子通信可从根本上解决国防、金融、政务、商业、外交等领域的信息安全问题。
  
  3.2 效率极高。
  
  量子通信与电子通信不同,它传输的不是一般意义上的信息,而是未知的量子态,在被测量前它处于纠缠态,在纠缠态时它同时代表多个状态,例如一个量子态可以同时表示 0 和 1 两个数字,若是7 个这样的量子态它就是表示 27(128) 个状态,或者说是 128(0~127) 个数字,量子通信这样一次的传输,就相当于常规通信的 128 次传输量,可以预想,如果传输带宽是 64 位或更高,那么它的传输效率将是多么惊人。
  
  量子通信属于超光速 ( 现还有争论 ) 通信的一种方式,它传输信息的速度极快,利用卫星作中继站可实现全球通信,在地面也可实现互联网通信,可以预见,任何方式的量子通信都不会存在瓶颈效应,它将是未来最流畅、容量最大,也是效率最高的通信方式。因此,将来不管是传输图像大片或整本图书,量子通信都会瞬间完成。
  
  4 量子通信的应用。
  
  2016 年 8 月 16 日中国成功发射了一颗量子实验卫星,命名为“墨子号”,8 月 17 日中国遥感卫星地球站 ( 密云站 ) 在“墨子号”绕地球 23 圈时成功跟踪并接收到量子卫星数据,证明中国量子通信实验卫星发射非常成功。该卫星为 500 km 轨道卫星,在地球上一个地点能看到卫星的时间很短,要想实现24 h 不间断通信,或要建立全球安全量子通信网络,单靠一颗卫星是不够的,必需发射多颗卫星使地球上任一地点每时每刻都能观察到卫星,或者应用地球同步卫星,这样可实现全球不间断通信,“墨子号”只是一个探路者。
  
  “墨子号”发射成功是卫星通信事业划时代的革命,据悉中国的量子通信卫星主要进行量子力学有效性的研究,建立全球卫星通信网 ( 全球广域网 ) 的研究和量子通信加密技术 ( 量子密钥分发 ) 的研究。这三项技术试验成功后,量子通信在技术上就可进入实用阶段,造福全人类。
  
  当前地面电子通信以光纤通信为主,光纤传输容量大,特别是传输图像具有无与论比的优势。但利用光纤传输量子信号,传输衰减很大,大致 100 km就会将能量衰减为 0,若要增加传输距离就必须增加接力站,当接力站较多时就会加大泄密的机会。故可利用卫星作中继站,它的跨度大,只要一次转接就可与多个量子城域网连接,克服了光纤传输的缺点,大大提高了量子通信的效率。同时利用卫星传输时,其能量大部分时间是在真空段传输,大气层段距离较短,所以路径衰减较小,这就是利用卫星传输的最大优点。
  
  量子卫星通信与现代的卫星通信并无原则差别,也是由上行站、卫星转发器和下行接收站组成,只是传输的不是电磁波而是光能,故对传输线路路径损耗设计、地面站性能参数设计都是大同小异,目前“墨子号”卫星发射信号较弱,在 500 km 轨道运行较合理,当将来技术成熟后应用同步卫星传输量子通信信号也是可行的。
  
  量子通信“京沪干线”合肥至上海段已开通,是世界最长的量子通信干线网,共设 11 个中继站,全长 712 km,目前合肥至上海两地之间实现了量子保密视频会议,线路运行良好,通信正确率达99.6%,达到世界先进水平。这证明利用光纤传输量子保密通信的技术已取得突破,可在一定的范围内( 例如长三角地带 ) 试行军事、金融等系统的量子保密通信。2016 年底“京沪干线”贯通后,就可与“墨子号”卫星连接,进行卫星量子通信实验。
  
原文出处:随之轩,田议. 卫星量子通信技术前景展望[J]. 信息技术与标准化,2016,(11):41-44.
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