量子信道的建立速率定义为两个量子通信节点之间建立量子纠缠对的速率.基于纠缠态的量子通信网络中节点具有以下三个功能:远程传态功能、产生并向周围节点分发纠缠粒子功能和纠缠连接功能.其中纠缠连接功能由纠缠交换功能和纠缠纯化功能组成[2324],采用纠缠连接,可以为不存在纠缠粒子对的节点提供纠缠中继.在该网络中,距离较近的节点可直接分发纠缠粒子,建立量子信道,而相距较远的节点不直接分发高保真度纠缠粒子,需要通过中间节点依次中继,建立两节点间高保真度的量子信道.量子通信网络模型如图1所示.图1中个节点以单位密度分布在正方形的二维平面中,分布区域的正方形面积。整个分布区域的节点总数为,各节点在空间中随机分布,假设在不相交区域中节点数目相互独立,则节点的分布满足空间泊松过程.该量子通信网络有以下特点:1)所有的节点功能相同,可与相邻节点直接通信,也可通过相邻节点为中继与远处节点通信;2)量子信息通过量子纠缠对传输,但节点之间不预先存储量子纠缠对;3)对于相邻节点,在通信开始阶段,节点中进行纠缠粒子生成,生成的纠缠粒子传输至相邻节点,得到高保真度的纠缠对以供量子信息传输。4)对于相距较远的节点,需要先找到一条可以连接待通信两节点的拓扑通路.通过通路上节点的纠缠连接操作,在远距离的节点间得到高保真度的纠缠对.本文分别对该模型下任意两节点间的量子信道建立速率进行分析,包括基础链路、中继长链路以及趋于无穷大时大规模网络中远距离两节点间的量子信道建立速率.
2量子通信网络基础链路的信道建立速率
在基于纠缠态的量子通信网络中,将可以直接通过纠缠粒子分发建立量子信道的节点称为相邻节点,相邻两节点间通过纠缠粒子形成的量子通路称为基础链路.不存在基础链路的节点之间可以通过中继节点之间的基础链路建立量子信道.文献[25]对基础链路上的信道建立速率进行了分析.基础链路上的一个节点由于内部纠缠粒子的存储空间有限,所以节点产生纠缠粒子对的频率也受到限制.假设节点光子产生纠缠粒子操作的频率为,节点按成功概率生一定保真度的纠缠粒子对,为两节点之间的距离,为光速,则相邻两节点之间成功得到一个纠缠光子对的平均时间。
3中继长链路的量子信道建立速率分析
非相邻两节点间如果可以通过中继节点建立量子信道,则两节点间的量子通路称为中继长链路.相邻节点之间可以直接生成量子纠缠对以传递量子信息,但中继长链路上需要各中继节点通过纠缠连接,消耗中继节点上的量子纠缠对,从而在源节点和目的节点之间得到高保真度的量子纠缠对,建立量子信道.图2为仅有一个中继节点的三节点中继长链路,假设节点Alice为源节点,节点Carol为目的节点,节点Bob为中继节点,节点Bob和相邻节点Alice,Carol分别共享量子纠缠对A1-B1和B2-C1.该过程中,节点Bob对位于本节点的量子比特B1和B2执行贝尔基测量,即可得知A1,C1的纠缠状态.在最大纠缠态情形下,纠缠连接即形成.在非最大纠缠态情形下,纠缠连接概率性形成,。由于各基础链路上纠缠粒子生成和纠缠连接操作的顺序不同,可以得到不同的量子信道建立方法,不同的量子信道建立方法对应不同的量子信道建立速率.我们对逐点和分段两种量子信道建立方法所对应的量子信道建立速率进行分析.如图3所示,假设一条中继长链路由个节点和1条基础链路所构成,设源节点编号为1,目的节点的编号为,链路上的节点和基础链路依次编号.假设节点1和之间已建立量子信道,节点和节点之间也已建立量子信道,对某节点进行纠缠连接操作,可得建立该量子信道的速率。如图4所示,逐点量子信道建立方法中各个中继节点上的纠缠生成和纠缠连接操作依次进行,其步骤如下:1)生成中继节点2与源节点1之间的纠缠粒子对;2)生成中继节点2和下一中继节点3之间的纠缠粒子对,中继节点2进行纠缠连接,使得源节点1与中继节点3建立量子信道;3)生成中继节点3和中继节点4之间纠缠粒子对,中继节点3进行纠缠连接,使得源节点1与中继节点4建立量子信道;4)逐点进行,最后生成中继节点(1)和中继节点间纠缠粒子对,中继节点(1)进行纠缠连接,建立源节点1和目的节点间建立量子信道.逐点量子信道建立方法需要在2个中继节点上进行不相互独立的纠缠连接操作.基础链路的信道建立速率由量子纠缠分发速率决定.纠缠光子经由光纤或自由空间信道传输,再经过本地操作实现量子纠缠分发,该过程所需时间设为常数。
4基于逾渗模型的二维量子通信网络量子信道建立速率
量子通信网络的模型与传统通信网络模型类似,都可建模为个节点利用传输信道进行信息传递,所不同之处在于传统无线通信网络使用的是传统无线或者有线信道,而基于纠缠态的量子通信网络使用的是纠缠粒子构成的量子信道.与经典无线通信网络的网格划分相似,可采用逾渗模型对整个网络特性进行分析.逾渗模型证明通过适当的网络网格划分可保证整个网络的连通性,使得网络中的任意源节点和任意目的节点总可找到一条中继链路相连,整个网络中将形成高速公路(highway),高速公路可为其他不在高速公路上的节点提供中继[16].将图1中节点数目为的量子通信网络平面划分为边长为的正方形网格,若某个网格中至少含有一个节点,该节点可为相邻网格中的节点提供中继,则这个网格视为连通的.由单位密度泊松点过程的概率分布规律,网格中至少含有一个节点的概率为(si1)=1e2,其中si代表单个网格中的节点数.网格边长足够大时,可保证网格中至少有一个节点的概率足够大.当网格连通概率大于二维正方形逾渗的逾渗阈值时,将会出现无限大连通集团,整个量子通信网络必然是连通的,即网络中任意两个节点间存在直接量子信道或者由多个中继节点组成的量子信道.当网格连通概率大于二维正方形逾渗的逾渗阈值时,将在水平方向和垂直方向由连通的网格依次相连形成大规模的连通链路,这种连通链路的拓扑结构称为高速公路.高速公路上分布着大量的中继节点,且这些相邻中继节点之间的最远距离由网格的边长决定,使得基础链路的长度最长不超过网格对角线长.高速公路存在于网络水平方向和垂直方向,源节点找到离自己最近的高速公路入口节点,然后在水平方向的高速公路找到与目的节点垂直距离最近的节点,接着通过该节点沿着垂直方向的高速公路找到与目的节点最近的出口节点.由于高速公路的存在,若源节点和目的节点都在高速公路上,则这两个节点可直接利用高速公路的中继作用建立量子信道,若源节点和目的节点至少有一个不在高速公路上,则应先找到最近的高速公路入口节点或出口节点,再通过高速公路中继,从而建立量子信道。由此可知,高速公路上的基础链路的量子信道建立速率仅与节点的量子存储空间、网格划分的对角线长度、给定的量子信息保真度有关,与总节点个数无关,故相对于为常数阶.不在高速公路上的节点要先找到离它最近的高速公路节点作为入口节点或者出口节点,源节点与入口节点之间以及目的节点与出口节点之间存在基础链路,该基础链路的量子信道建立速率与总节点个数有关,由于不在高速路的点与最近的高速公路节点的距离不大于log+22[21],故该基础链路的速率。因此对中继长链路而言,分段量子信道建立方法的量子信道建立速率更高.因此我们对长链路上使用分段量子信道建立方法进行分析.根据源节点和目的节点分布不同,可分为以下两种场景.场景1:若源节点和目的节点都在高速公路上,则对于有Ω()个节点的这条长中继链路,基础链路的最长距离由网格划分的边长决定,此时基础链路上的量子信道建立速率为常数阶,源节点和目的节点成功得到量子纠缠对的速率。所以当量子通信网络的节点都利用逾渗模型所指出的高速公路进行长链路的中继通信,且采用分段量子信道建立方法时,整个量子通信网络的量子信道建立速率为Ω(1/).由于场景2的量子信道建立速率小于场景1的量子信道建立速率,整个量子信息网络的量子信道建立速率上限值由两者的较小值所决定的,故量子通信网络的量子信道建立速率为Ω(1/).
5结论
量子力学诞生于1926年，是人类对微观世界加以认识的理论基础之一。量子力学和相对论之间的不相容性在1935年被爱因斯坦、波多尔基斯和罗森论证后，约翰•贝尔于1964年提出贝尔理论，，阿斯派克等人于1982年证明了超光速响应的存在。1989年第一次演示成功量子密钥传输，1997年量子态隐形传输的原理性实验验证由奥地利蔡林格小组在室内首次完成，2004年，该小组又将量子态隐形传输距离成功提高到600米。2007年开始我国架设了长达16公里的自由空间量子信道，于2009年成功实现世界上量子隐形传态的最远距离。
二、量子通信技术的发展趋势
量子通信技术的研究方向除了包括量子隐形传态还包括量子安全直接通信等，突破了现有信息技术，引起了学术界和社会的高度重视。与传统通信技术相比，量子通信除具有超强抗干扰能力外且不需对传统信道进行借助；与此同时量子通信的密码被破译的可能性几乎没有，具有较强的保密性；另外，量子通信几乎不存在线路时延，传输速度很快。量子通信发展仅仅经历了20年左右，但其发展却十分迅猛，目前已经被很多国家和军方给予高度关注。
量子通信在国防和军事上具有广阔的应用前景，作为量子技术的最大特征，量子技术的安全性是传统加密通信所无可企及的。量子通信技术的超强保密性，能够有效保证己方军事密件和军事行动不被敌方破译及侦析，在国防和军事领域显示出无与伦比的魅力。另一方面，在破解复杂的加密算法上，也许现有计算机可能需要好几万年的时间，在现实中是完全无法接受且几乎没有实用价值的。但量子计算机却能在几分钟内将加密算法破解，如果未来这种技术被投入实用，传统的数学密码体制将处于危险之中，而量子通信技术则能能够抵御这种破解和威胁。
在民间通信领域量子通信技术的应用前景也同样广阔。中国科技大学在2009年对界上首个5节点的全通型量子通信网络进行组建后，使得实时语音量子保密通信被首次实现，城市范围的安全量子通信网络在这种“城域量子通信网络”基础上成为了现实。
三、总结
1.1量子秘钥分发
量子秘钥分发不是用于传送保密内容,而是在于建立和传输密码本,即在保密通信双方分配秘钥,俗称量子密码通信。1984年，美国的Bennett和加拿大的Brassart提出著明的BB84协议，即用量子比特作为信息载体，利用光的偏振特性对量子态进行编码，实现对秘钥的产生和安全分发。1992年，Bennett提出了基于两个非正交量子态，流程简单，效率折半的B92协议。这两种量子秘钥分发方案都是建立在一组或多组正交及非正交的单量子态上。1991年，英国的Ekert提出了基于两粒子最大纠缠态，即EPR对的E91方案。1998年，又有人提出了在三组共轭基上进行偏振选择的六态方案量子通信，它是由BB84协议中的四种偏振态和左右旋组成。BB84协议被证明是迄今为止无人攻破的安全秘钥分发方式，量子测不准原理和量子不可克隆原理，保证了它的无条件安全性。EPR协议具有重要的理论价值，它将量子纠缠态与量子保密通信联系起来，为量子保密通信开辟了新途径。
1.2量子隐形传态
1993年由Bennett等6国科学家提出的量子隐形传态理论是一种纯量子传输方式，利用两粒子最大纠缠态建立信道来传送未知量子态，隐形传态的成功率必定会达到100%。199年，奥地利的A．Zeilinger小组在室内首次完成量子隐形态传输的原理性实验验证。在不少影片中常出现如此的情节：一个在某处突然消失的神秘人物突然出现在另一处。由于量子隐形传态违背了量子力学中的量子不可克隆原理和海森堡不确定原理，因此它在经典通信中只不过是一种科幻而已。然而量子通信中引入了量子纠缠这一特殊概念，将原物未知量子态信息分成量子信息和经典信息两部分，使得这种不可思议的奇迹得以发生，量子信息是在测量过程未提取的信息，经典信息是对原物进行某种测量。
二、量子通信的进展
从1994年开始，量子通信已经逐步进入实验阶段，并向实用化目标迈进，具有巨大的开发价值和经济效益。1997年，中国青年科学家潘建伟与荷兰科学家波密斯特等人试验并实现了未知量子态的远程传输。2004年4月Lorunser等利用量子纠缠分发第一次实现1.45KM的银行间数据传输，标志着量子通信从实验室走向应用阶段。目前量子通信技术已经引起各国政府、产业界和学术界的高度重视。一些国际著名公司也积极发展量子信息的商业化，如英国电话电报公司，美国的Bell、IBM、AT&T等实验室，日本的东芝公司，德国的西门子公司等。2008年，欧盟“基于量子密码的全球保密通信网络开发项目”组建的7节点保密通信演示验证网络试运行成功。2010年，美国《时代周刊》在“爆炸性新闻”专栏中以“中国量子科学的飞跃”为题报道了中国在16公里量子隐形传输的实验成功，标志中国有能力建立地面与卫星间的量子通信网络。2010年，日本国家情报通信研究机构联合三菱电机和NEC，以及瑞士IDQuantique公司、东芝欧洲有限公司和奥地利的AllVienna公司在东京成立了六节点城域量子通信网络“TokyoQKDNetwork”。该网络集中了目前日本及欧洲在量子通信技术上发展水平最高的研究机构和公司的最新研究成果。
三、量子通信展望
关键词：量子通信定义 量子通信理论由来 驳倒爱因斯坦的实验论据
一、量子通信定义
量子通信（Quantum Teleportation）是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子通讯是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，近来这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们的关注。基于量子力学的基本原理，量子通信具有高效率和绝对安全等特点，并因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。
二、量子通信理论由来
“1935年5月的一天早晨，爱因斯坦像往常一样准时来到普林斯顿高等研究院的办公室。他来普林斯顿小镇快两年了，已经熟悉并开始喜欢这个恬静的“室外桃园”。办公桌上放着他和助手波多尔斯基、罗森一起刚刚发表在《物理评论》上的论文。他拿起来看了看，脸上露出孩子般顽皮的微笑――这回他终于可以战胜老对手玻尔了。与此同时，在大西洋彼岸的哥本哈根大学玻尔研究所，爱因斯坦的文章立刻引起了物理学家玻尔的关注和不安。这对他来说简直是个晴天霹雳！玻尔立刻放下所有的工作，他说：‘我们必须睡在问题上。’爱因斯坦和玻尔是20世纪两位最伟大的物理学家，他们都为量子理论的建立做出了奠基性的贡献。然而，他们对于这个理论的含义却一直争论不休。这一争论被称为‘关于物理学灵魂的论战’。”――引自郭光灿院士《爱因斯坦的幽灵：量子纠缠之谜》。
郭光灿院士书中所指的“物理学灵魂”的论战，与“量子纠缠”现象有着莫大的关系。 在量子力学中，有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系，不管它们被分开多远，只要一个粒子发生变化就能立即影响到另外一个粒子，即两个处于纠缠态的粒子无论相距多远，都能“感知”和影响对方的状态，这就是量子纠缠。尽管爱因斯坦最早注意到微观世界中这一现象的存在，但却不愿意接受它，并斥之为“幽灵般的超距作用（spooky action at a distance）”。
三、驳倒爱因斯坦的实验论据
对EPR实验的验证始于1960年，在1980年终于获得有说服力的结果。这些是实验大多都是以光子来做为自旋关联。主要是利用院子的级联辐射，选择出光子动量为0的情形。1982年，法国物理学家艾伦•爱斯派克特（Alain Aspect）和他的小组成功地完成了一项实验，证实了微观粒子“量子纠缠”（quantum entanglement）的现象确实存在，这一结论对西方科学的主流世界观产生了重大的冲击。它证实了任何两种物质之间，不管距离多远，都有可能相互影响，不受四维时空的约束，是非局域的（nonlocal），宇宙在冥冥之中存在深层次的内在联系。
四、突破传统的通信方式
1993年，C.H.Bennett提出了量子通信的概念;同年，6位来自不同国家的科学家，提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案：将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方，把另一个粒子制备到该量子态上，而原来的粒子仍留在原处。在量子通信系统中，共享信息的两个人必须共享几乎一致的两个成对产生并永远缠结在一起的光子。一旦信息被带到第一个光子上，它将会消失并重现在第二个光子上，以实现不加外力方式传输信息。不加外力传输的概念是以量子物理学为基础的，它所使用的是具有波、粒两重性但没有电荷和质量的光子，而不是常规使用的电子。在量子通信中，报文是以不加外力传输方式传输的。不加外力传输方式就是使信息在一个地方消失，从而使其能在另一个地方出现的过程。它不需要通过空中、太空或线路传输。在这一过程中，发送者与接收者共享所需光子的数量，决于所发送报文的长度。在量子通信中，由于光子只能成对产生，因此，所有量子的不加外力方式只能在一个发送者和一个接收者之间进行。如果接收者需要将报文传送给其他人，则每次必须共享和使用缠结在一起的新的一对光子。因此，量子网络必须一个链路一个链路地建立。
利用量子信息技术之一量子密码术，可实其基本思想是：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息；接收者在获得这两种信息后，就可以制备出原物量子态的完全复制品。该过程中传送的仅仅是原物的量子态，而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的粒子处于原物的量子态上。在这个方案中，纠缠态的非定域性起着至关重要的作用。量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义，而且可以用量子态作为信息载体，通过量子态的传送完成大容量信息的传输，实现原则上不可破译的量子保密通信。
五、量子通信的发展状况
量子通信具有传统通信方式所不具备的绝对安全特性，不但在国家安全、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景，而且逐渐走进人们的日常生活。
为了让量子通信从理论走到现实,从上世纪90年代开始,国内外科学家做了大量的研究工作。自1993年美国IBM的研究人员提出量子通信理论以来，美国国家科学基金会、国防高级研究计划局都对此项目进行了深入的研究，欧盟在1999年集中国际力量致力于量子通信的研究，研究项目多达12个，日本邮政省把量子通信作为21世纪的战略项目。我国从上世纪80年代开始从事量子光学领域的研究，近几年来，中国科技大学的量子研究小组在量子通信方面取得了突出的成绩。
2006年夏,我国中国科技大学教授潘建伟小组、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、欧洲慕尼黑大学―维也纳大学联合研究小组各自独立实现了诱骗态方案，同时实现了超过100公里的诱骗态量子密钥分发实验，由此打开了量子通信走向应用的大门。2008年底，潘建伟的科研团队成功研制了基于诱骗态的光纤量子通信原型系统，在合肥成功组建了世界上首个3节点链状光量子电话网，成为国际上报道的绝对安全的实用化量子通信网络实验研究的两个团队之一（另一小组为欧洲联合实验团队）。
关键词：量子信息论；信道容量；光通信
中图分类号：N031 文献标识码：A
文章编号：1005-913X（2012）08-0163-01
一、引言
信息论或者称为通信的数学理论，是研究信息的传输、存储和处理的科学。Shannon信息论是其主要代表。而在量子世界里，信号的物理特性与其所传输的信息完全紧密联系，从而产生了量子信息论。近年来，量子密码技术、量子通信、量子计算、量子模拟、量子度量学等方面都取得了很大进展[1]如今，光通信中有关信息论的相关理论已成为人们关心的课题。本文将对量子信息学在光通信中的应用进行分析和比较。
二、Shannon信息论
（一）信息熵的概念
Shannon从研究通信系统传输的实质出发提出了信息熵H（X）的概念 [2]
I（X；Y） = H（X）-H（X/Y） （1）
也可表示为：
■ （2）
（二）信道容量
信道容量C，它反应了信道传输信息的能力，是信道特性的参量。
C=max{I（X；Y）} （bit/event） （3）
Shannon对信道研究后发现由高斯信道可推导出Shannon公式[2]
C=Bln=Bln
■ （4）
N0是每单位频率的信噪比，B是带宽。
高斯信道中的信息量达到极限时[6]：
C=limB ln（1+S/（N0*W））=■lne=1.44■（bit） （5）
三、量子信息论
量子信息论采用与信息论相类似的方式向前发展。 [3] 在量子信息论中常用量子位或者量子比特表示信息单位。如|Ψ>=α|0>+β|1>（|α|2+|β|2=1），|Ψ>，又称为叠加态。
量子比特之所以与比特有如此大的差异是因为量子态是相互纠缠的。
（一）冯诺依曼（Von Neumann）熵
与经典信息论相似，量子信息论定义了冯诺依曼（Von Neumann）熵为：
S（ρ）=-Trρlogρ （6）
当组成混合态系统的每个纯态是相互正交时，（6）式退化为
S（ρ）=-Trρlogρ=■pilogpi （7）
冯诺依曼（Von Neumann）熵等于Shannon熵；而当各纯态相互不正交时，可证明系统的冯诺依曼熵将小于Shannon熵。
（二）量子信道与信道容量
在量子信息论中有三种信道容量概念：①无经典辅助条件下传输完整量子信息的信道容量Q（N）②只传输经典信息时的信道容量C（N）③在一般信道辅助下传输量子信息的信道容量Q2（N）。Q（N）与C（N）的定义形式相同；如Q（N）定义为：对于任意大的n和任意小的ε，当n个量子比特的每个量子态|φ>经过编码、信道传输和解码后的保真度都大于1 -ε 时的量子信道的最大传输速率；用数学公式可精确地表示为
Q（N）=■■sup{■：■m，E，D
■ψ∈H2n>1-ε （8）
但是，对于绝大多数的有噪声量子信道，这种容量并不能计算出具体值，而仅是一个取值范围。
在信息论中，Q（N）可通过干信息来描述，而C（N）完全由可获信息来确定。
四、光纤通信中的信息量
在光量子信道中，对于频率fi，输出信号的平均量子数为
yi=xi+ni （9）
假设xi与ni 统计独立。设xi，ni，yi的概率密度函数为p（xi），p（ni），p（yi），则p（yi/xi）=p（ni）。[5]在特定频率fi上，光量子信道的平均互信息[4]
I（yi；xi）=H（yi）- H（ni） （10）
因为固定时间间隔t，t=■，所以单位时间内的平均互信息
I（X；Y）=■■I（yi；xi）=H（Y）-H（n） （11）
在fi上，假设接收信号的光量子的离散能谱为
EI=hfi （h是普朗克常数） （12）
由于热辐射，光量子的波动服从Gibb分布
P（ni）=■ （13）
可得光量子的波动引起的噪声熵
H（nI）=π2Kt/3hln2 （14）
由（12）式，可得单位时间内信号的平均能量
S=EI=■■■xi ρ（xi）hfi （15）
而输出信号的平均功率是
■■■yi ρ（yi）hfi
=S+■■■ni ρ（ni）hfi （16）
所以，对于窄带的光量子信道，带宽f
就等于Shannon信道容量公式。
五、结束语
Shannon信息论是一套数学理论，而在物理效应非常明显的量子世界里讨论信息问题时，量子信息论起着支柱作用。它的实用性在量子密码通信和量子计算机已经初步实现。[7]现代信息论的理论与方法变得更加全面和深刻。必将在包括光通信在内的广阔通信领域发挥重要作用。
参考文献：
[1] 周正威，等.量子信息技术纵览[J].科学通报，2012（17）.
[关键词]量子计算 量子通信 通信效率 安全通信
中图分类号：TN918 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）09-0128-01
引言
随着科学技术的飞速发展，量子信息学逐渐得到人们的关注与重视，在近代物理学、计算机科学等领域都有所涉及。通过量子力学的基础，不断的发展与延伸。量子信息学，是量子力学与信息科学相结合的产物，是以量子力学的态叠加原理为基础，研究信息处理的一门新兴前沿科学。包括量子密码术、量子通信、量子计算机等几个方面。我们在这里，着重的了解一些量子通信。
一、 量子通信协议概念
1，量子通信协议定义
量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类。前者主要用于量子密钥的传输，后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。其中隐形传送是指脱离实物的一种“完全”的信息传送。可以想象：先提取原物的所有信息，然后将这些信息传送到接收地点，接收者依据这些信息，选取与构成原物完全相同的基本单元，制造出原物完美的复制品。实际上是一种对于通信地保密性的传输。是一种在理论上可以保证通信绝对安全的一种通信方式。由于量子力学中的不确定性原理，是不允许精确地提取原物的全部信息，因此长期以来，隐形传送不过是一种幻想而已。
2，量子通信与光通信的区别
量子通信与光通信的区别，在于在通信中用的光的强度是不同的。光通信一般采用是强光，包括无线电、微波、光缆、电缆等具体形式。通过偏振或相位等的调制方式来实现。量子通信讨论的是光子级别的很弱的光，通过对光子态的调制，但是主要利用了光子的特性，量子态不可克隆原理和海森堡不确定性关系。这也是区别于光通信的重点。
二、量子通信基本方式
量子通信在量子力学原理的基础上，通过量子态编码和携带信息进行加工处理，将信息进行传递。只要包括：量子隐形传态、量子密钥分发等，下面主要介绍这两个组成部分：
1，量子隐形传态
量子隐形传态，又称量子遥传、量子隐形传输。经由经典通道和EPR 通道传送未知量子态。利用分散量子缠结与一些物理讯息的转换来传送量子态至任意距离的位置的技术。它传输是量子态携带的量子信息。想要实现量子隐形传态，要求接收方和发送方拥有一对共享的EPR对，即BELL态（贝尔态）。发送方对他的一半EPR对与发送的信息所在的粒子进行结合，而接收方所有的另一半EPR对将在瞬间坍缩为另一状态。根据这条信息，接收方对自己所拥有的另一半EPR对做相应幺正变换即可恢复原本信息。到乙地，根据这些信息，在乙地构造出原量子态的全貌。量子隐形传态大致可以这样描述：准备一对纠缠光子对，一个光子发送给有原始量子态（即第三个光子）的甲方，另一个光子发送给要复制第三光子的量子态的乙方。甲方让收到的一个光子与第三光子相互干涉（“再纠缠”），再随机选取偏振片的方向测量干涉的结果，将测量方向与结果通过普通信道告诉乙方；乙方据此选择相应的测量方向测量他收到的光子，就能使该光子处于第三光子的量子态。
量子隐形传态作为量子通信中最简单的一种，是实现全球量子通信网络的可行性的前提研究。它的存在与应用，可以完全的保证用户的信息安全，通信保密，同时如果出现有人窃听的现象，将会及时的进行信息的改变，保证内容的“独一无二”。
2，量子密钥分发
量子密钥分发以量子物理与信息学为基础，是量子密码研究方向中不可缺少的重要部分。被认为是安全性最高的加密方式，实现绝对安全的密码体制。当然这只是理论上的内容，在现实生活中还是有一定的差距。只是理论上具有无条件的安全性。1969年提出用量子力学的理论知识进行加密信息处理。到了1984年，第一次提出量子密钥分发协议，即BB84协议。随后又提出B92协议。2007年，中国科学技术大学院士潘建伟小组在国际上首次实现百公里量级的诱骗态量子密钥分发，解决了非理想单光子源带来的安全漏洞。后又与美国斯坦福大学联合开发了国际上迄今为止最先进的室温通信波段单光子探测器――基于周期极化铌酸锂波导的上转换探测器。解决了现实环境中单光子探测系统易被黑客攻击的安全隐患。保证了非理想光源系统的安全性。生成量子密钥大致为：准备一批纠缠光子对，一个光子发送给发信方，另一个光子发送给收信方。测量光子极化方向的偏振片的方位约定好两种。两人每次测量一个光子时选择的方向都是随机的，但要记录下每次选择的方向，当然也要记录下每次测量的结果，有光子通过偏振片就记1，无光子通过则记0。通过普通信道两人交换测量方向的记录，那些测量方向不一致的测量结果的记录都舍去不要，剩下的那些测量方向相同所对应的测量结果，两人应一致，这一致的记录就可作为两人共同的密钥。
总结
经典通信较光量子通信相比，量子通信具有传统通信方式所不具备的绝对安全特性。具有保密性强、大容量、远距离传输等特点。量子通信不仅在军事、国防等领域具有重要的作用，而且会极大地促进国民经济的发展。逐渐走进人们的日常生活。为了让量子通信从理论走到现实，从上世纪90年代开始，国内外科学家做了大量的研究工作。自1993年美国IBM的研究人员提出量子通信理论以来，美国国家科学基金会和国防高级研究计划局都对此项目进行了深入的研究，欧盟在1999年集中国际力量致力于量子通信的研究，研究项目多达12个，日本邮政省把量子通信作为21世纪的战略项目。我国从上世纪80年代开始从事量子光学领域的研究，近几年来，中国科学技术大学的量子研究小组在量子通信方面取得了突出的成绩。
参考文献
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[5]宋斌 - 空间量子通信技术发展现状《移动信息》 - 2015.
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。
