量子通信技术发展中问题探讨

2022-09-21 16:40:58 来源:写作指导

量子通信技术发展中问题探讨

摘要:随着我国科学技术水平不断提高,我国通信技术当前已经进入全新发展阶段。通信技术在现代信息技术中占据重要位置,改变了人们传统的信息交流和交换方式,在信息技术快速发展的背景下,量子通信技术研究逐渐取得突破,成为通信技术发展中的重要方向,但是因为技术发展不够成熟,还存在着一些问题需要解决,才能够提高通信质量。因此,本文将对量子通信技术发展中存在的问题进行深入的研究与分析,并提出一些合理的意见和措施,旨在进一步促进我国通信技术水平提升。

关键词:量子技术;量子通信技术;存在问题;技术优势;发展前景

量子通信技术相比于传统的通信技术而言,其信息传输速率更快,保密性更强,是当前世界各国在通信技术研究领域的重要内容。量子通信技术基于量子力学原理,将微观世界的物质特征应用在通信领域中,在保持较高信息传输速率的同时,在通信加密方面具有较大优势,逐渐成为当前通信技术领域研究的热门话题。量子通信技术研究对于提高通信质量有着重要的意义,且当前量子通信技术研究正处于关键阶段,所以必须准确掌握量子通信技术中存在的问题,对问题进行优化创新,才能够全面提高我国量子通信技术水平。

1   量子通信技术内涵分析

1.1 量子通信技术基本概念

量子通信是采用量子相干叠加、量子纠缠效应完成信息传输的一种通信技术,主要包括量子理论和信息理论。从物理学层面出发,量子通信技术是物理极限下采用量子效应实现高性能通信的一种技术,具有物理原理的信息绝对安全性,能够有效解决传统通信技术中无法解决的多项问题[1]。从信息学层面出发,量子通信技术采用量子的不可复制特性和隐性传输特性,通过量子测量方式完成信息传输。量子通信技术中传输信息不是经典信息,而是量子所携带的量子信息,与传统通信技术相比具有多项优势,标志着未来通信技术全新发展方向。

1.2 量子通信技术发展

量子通信技术研究开始于 1980 年之前,1970 年美国哥伦比亚大学著名学者 Wiesner 提出利用量子力学理论提高信息传输安全性的设想;在 1979 年,美国 IBM 企业多位学者联合提出将量子力学理论应用在通信技术领域的设想;1981 年 Feynman 提出采用传输量子信息的设想,标志量子信息理论研究开始。随后,世界多位著名学者和专家开展关于量子通信技术的研究,相继提出量子纠缠、密钥分发等概念,是量子通信理论正式诞生的标志。在 1990 年前后,通过自由空间信道完成第一次演示性量子通信试验,量子通信信息传输距离为32m。1993 年,Bennett 正式提出量子通信概念,同年多位科学家采用经典信号通道与量子纠缠的方法,设计量子隐性信息传输方案;2012 年,中国科学家实现百公里级量子隐性传输,为星地间量子通信技术研究打下基础。

1.3 量子通信技术体系架构

量子通信技术体系架构主要包括量子态发生器、量子通道以及量子测量等设备,量子通信技术的信息传输基本流程为:量子信源→量子编码→量子调制→本地测量/量子传输信道(量子噪声)→辅助信道→本地测量→量子解调→量子解码→量子信宿。在量子通信技术的基本架构以及通信系统中,量子信源为量子信息产生器,表现形式为量子态;量子信宿的主要功能是接收量子信息;量子编码的主要功能是将量子信息转换为量子比特;量子解码的主要功能是将量子信息比特转化为信息。量子信道分为辅助信道与子传输信道两个不同部分,传输信道主要采用量子信息传递,辅助信道是除了量子传输信道与测量信道之外的附加信道,比如经典信道;量子噪声是指外界环节对于量子信号所产生的影响。当前,在量子通信技术系统应用过程中,主要采用量子信道结合辅助经典信道的新式,能够实现非理想的量子密钥分发或者是量子密码通信,在经典信道的作用帮助下,通信双方能够通过量子信道完成量子信息交换,同时能够获取量子密钥,既能够保证量子信息传输速率,同时能够保证量子信息传输安全性[2]。

1.4 量子通信技术的优势分析

量子通信技术与传统的通信技术相比较而言,具有以下几项优势: (1)信息传输效率高。量子通信技术的线路时延性在理论状态下可以无限接近于零。量子信道的信息传输效率相比于经典信道能够超出几十倍以上,同时量子通信技术在信息传递过程中不会受到其他障碍影响,综合信息传输速率较快。 (2)抗干扰能力较强。量子通信在信息传输的过程中不会经过传统信道,且信息传输与信息双方的传播介质无关,不会受到空间环境的影响,综合抗干扰能力较强。 (3)安全性较好。因为量子具有不可复制性,所以量子信息产生后就不会发生改变,在量子信息传输过程中,如果被他人窃取,信息接收方则会直接发现。 (4)隐蔽性较好。量子通信技术不会产生电磁辐射,所以除信息接收方之外其他方面无法对信息进行监测,具有良好的隐蔽性。 (5)噪声较低。在相同的信息传输条件下,量子通信技术所产生的噪声比传统信息传输低 35d B 左右,所以噪声量较低。

2   量子通信技术发展中存在的主要问题分析

根据当前世界各国对量子通信技术的研究情况来看,虽然量子通信技术研究逐渐取得突破,但是依然存在着一些不可忽视的问题,主要体现在以下几个方面。

2.1 单光子分离攻击问题

光的最小单位为光子,但光子具有不可分离特性,当前所采用的传统通信技术中应用弱相干光源技术,包含多种光子。量子通信技术系统的主要功能为量子密码通道、量子远程传输以及量子密码编辑等。对于单光子源技术,是不可以分离的,虽然通道消耗较大,但是能够保证信息传输安全性,但是对于弱相干光源而言,具有一定的安全隐患,如果保护不当可能会出现信息泄露的问题,主要是因为可以通过光子分离攻击虚假的量子通信信道,从而获取量子信息和密钥,在该过程中信息则会被第三方获取,是当前量子通信技术领域尚未完全解决的问题。该问题与上文所述并不冲突,因为量子通信技术在理想状态下,信息传递过程中被第三方获取就会被信息接收方感知,但是受到当前技术水平的限制,采用单光子分离攻击能够获取一定的信息,所以需要针对该安全问题进行创新和优化,才能够全面提升量子通信技术信息传输安全性[3]。

2.2 木马攻击和侧信道共计问题

在采用量子通信技术进行信息传输的过程中,量子密码编码技术具有关键性作用,信号源和信号接收器会受到来自木马病毒的攻击,从而会产生信息泄露的问题。在信息传输过程中,采用侧信道攻击、光能部件高能破坏攻击以及大脉冲攻击等方式,会对量子信息产生很大影响,从而出现信息泄露或密钥泄露的问题。

2.3 光子源产生单光子效率较低的问题

根据量子通信技术的应用实践证明,单光子源具有较强的量子力学性能,但是因为其自身不具有可分割的优势,所以不能保证单光子脉冲具有完善的安全性。虽然在量子通信技术中量子密码通道消耗较大,但是并不会对原信息的传输造成影响。当前,由于技术水平的限制,单光子在制备过程中会产生多个信道,从而导致量子通信技术在实际应用过程中效率较低的问题出现,同时弱光脉冲技术在应用过程中还存在着许多问题,会降低量子密码信道信息传输速率,也会引起量子密码编码错误率提升的问题,从而对量子通信技术的实际应用效果产生很大影响。

2.4 探测效率较低的问题

按照当前量子通信技术的发展基本情况来看,量子测量主要包括正定测量、投影测量以及通用测量三种不同技术方法,在应用过程中,需要利用其他设备和被测量量子之间的相互协作完成信息测量基本流程。在量子探测测量过程中,会对信道中的量子传输状态产生较大影响,从而引起信道测量结果出现偏差。此外,量子在信道中会处于相对统一的状态,在测量过程中会受到弱相干光源的影响,从而导致信道中量子种类出现较大差异,进而会导致量子信道出现塌缩问题,无法保证量子探测测量结果准确性,且综合探测测量效率较低,对于量子通信技术的应用效果会产生很大影响。

2.5 与其他信道结合的问题

在当前的量子通信技术研究中,因为量子密码信道与全光网络信道需要完成高度融合,但是在实际融合的过程中会导致量子信道损耗问题逐渐加剧,从而会导致量子通信技术信息传输速率降低,尤其是在远距离信息传输过程中,影响更为严重,所以当前量子通信技术的信道与其他信道在结合方面还存在着很大问题,尚未得以完全解决,对于量子通信技术质量产生很大影响。

3   量子通信技术发展前景分析

根据上文分析可以看出,量子通信技术是未来通信技术的主要研究方向,与传统的通信技术相比具有许多优势,但是依然存在着一些没有得到妥善解决的问题,所以为了促进量子通信技术水平的提高,使其能够在通信领域发挥出更好的作用,必须针对当前量子通信技术发展过程中存在的问题,对其未来发展前景进行预测和规划,才能够全面提高我国量子通信技术水平。在量子通信领域掌握更多核心技术,是提高我国综合国力的重要方式。 从量子通信技术的发展规划来看,未来量子通信技术可以作为信息存储的重要载体,且能够与互联网概念相结合,在工业生产、机械制造、通信领域以及军事领域等发挥出更好的作用,所以国家和相关部门必须加强对量子通信技术的资源投入,保证量子通信技术研究具有充足的资源保障,才能够完成量子通信技术研究创新,突破当前量子通信技术水平的限制。将量子通信技术的优势在通信领域最大化发挥,不仅能够提高信息传输质量,更有利于保障信息安全,是信息时展过程中的核心技术,为此需要不断加强量子通信技术研究。

4   结束语

综上所述,本文全面阐述量子通信技术的基本内涵和发展现状,并对其发展过程中存在的问题进行探究,最后对量子通信技术的发展前景进行分析,希望能够对我国通信技术研究有所帮助。

作者:黄伟贤 张勇 刘嵩鹤 单位:解放军95072部队