量子通信從上世紀(jì)80年代誕生第一個(gè)理論協(xié)議以來(lái)，已經(jīng)形成了較為完善的理論基礎(chǔ)、技術(shù)體系和發(fā)展生態(tài)，未來(lái)仍將進(jìn)一步形成突破性進(jìn)展，產(chǎn)生人們?nèi)粘Ｉ钪锌吹靡?jiàn)、摸得著的保密通信應(yīng)用。
本書(shū)以發(fā)展的眼光看待通信技術(shù)，介紹一些傳統(tǒng)保密通信的困境，以及量子通信的重要意義和發(fā)展戰(zhàn)略，將量子通信的主要協(xié)議和方案擇重點(diǎn)進(jìn)行講解，并介紹量子通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)、部分攻擊和防御方案，以及量子通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)情況，以典型量子通信系統(tǒng)為例，概述了相關(guān)系統(tǒng)的構(gòu)建。
本書(shū)可作為高等院校量子信息領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)低年級(jí)學(xué)生
信息技術(shù)的不斷發(fā)展，給人們的生活帶來(lái)極大便利，同時(shí)也給傳統(tǒng)信息安全帶來(lái)了日益復(fù)雜和突出的問(wèn)題。前沿信息技術(shù)應(yīng)用的不斷深化，將改變現(xiàn)有信息管理和系統(tǒng)應(yīng)用的模式，并可能使攻擊者采取更加多元的攻擊手段，從而導(dǎo)致人們對(duì)信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)安全、數(shù)據(jù)安全和信息內(nèi)容安全的擔(dān)憂日益增加。更為重要的是，信息安全不僅關(guān)系信息自身的安全，更對(duì)國(guó)家的政治、軍事、經(jīng)濟(jì)和文化等安全具有重大戰(zhàn)略價(jià)值。
保密通信作為信息安全的“骨灰級(jí)元老”，一直伴隨著人類的發(fā)展，自古至今都極具價(jià)值，常常伴隨戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)展，也在很多時(shí)候決定著戰(zhàn)爭(zhēng)的走勢(shì)。保密通信要達(dá)到的目的無(wú)非有兩個(gè)： 其一是盡可能不被竊取；其二是即使被竊也不會(huì)被破解。而傳統(tǒng)的保密通信手段存在密鑰產(chǎn)生和密鑰分發(fā)兩個(gè)安全性問(wèn)題。尤其是在面臨新的加密破解方法和量子計(jì)算等不對(duì)等計(jì)算優(yōu)勢(shì)時(shí)，傳統(tǒng)保密通信或?qū)⑿瓮撛O(shè)。
克勞德·艾爾伍德·香農(nóng)在信息論中認(rèn)為： 如果產(chǎn)生的密鑰沒(méi)有規(guī)律可言，并且只用一次，那么相同長(zhǎng)度的密鑰可以絕對(duì)安全地加密信息。怎么才能實(shí)現(xiàn)一次一密呢？量子通信給出了答案。量子通信基于量子力學(xué)基本原理，產(chǎn)生量子隨機(jī)密鑰，并利用量子信道實(shí)現(xiàn)密鑰分發(fā)，從而可實(shí)現(xiàn)理論上絕對(duì)安全的一次一密。隨著信息安全產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，量子通信的重要價(jià)值不言而喻，世界各國(guó)從政府部門(mén)到研究機(jī)構(gòu)，都給予其非同一般的關(guān)注： 政府部門(mén)出臺(tái)政策支持，科研機(jī)構(gòu)推動(dòng)技術(shù)研發(fā)。迄今為止，包括我國(guó)在內(nèi)的世界主要國(guó)家，都在角逐量子通信技術(shù)和量子通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主導(dǎo)地位。
近來(lái)，量子通信的發(fā)展愈加豐富，但一般可將具有一定特點(diǎn)的理論協(xié)議或者方案大致劃分為量子密鑰分發(fā)（QKD）、量子安全直接通信（QSDC）、量子隱形傳態(tài)（QT）和量子秘密共享（QSS）等。當(dāng)然有不少學(xué)者的分類方法更為細(xì)致，又或者略有不同，但是如果從諸多種類協(xié)議或方案中選擇出最為熟悉的，那么非BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議莫屬。中國(guó)、美國(guó)和日本等國(guó)家都在構(gòu)建或已實(shí)現(xiàn)了量子通信干線及網(wǎng)絡(luò)。
另外，需要直面的是，盡管量子通信在保密通信研究中具有突出的理論優(yōu)勢(shì)，但是在實(shí)際應(yīng)用研究中仍然存在安全性和可靠性等問(wèn)題，所以竊聽(tīng)者總是能夠抓住系統(tǒng)存在的任何漏洞，針對(duì)實(shí)際量子通信中的各種安全隱患進(jìn)行攻擊。未來(lái)隨著器件工藝和技術(shù)瓶頸的突破，研制滿足量子通信理論安全要求的器件是必不可少的，但當(dāng)下，相關(guān)研究人員也已從器件選用和協(xié)議構(gòu)建的角度去防御攻擊。
從量子通信誕生之初，褒揚(yáng)和質(zhì)疑便不絕于耳，新生的事物向來(lái)需要經(jīng)歷社會(huì)的歷練，具有顛覆性價(jià)值的技術(shù)更是如此。量子通信從20世紀(jì)80年代誕生的第一個(gè)協(xié)議以來(lái)，已經(jīng)形成了較為完善的技術(shù)領(lǐng)域體系和技術(shù)發(fā)展生態(tài)環(huán)境，未來(lái)仍然需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步取得突破性進(jìn)展，從而開(kāi)發(fā)出人們?nèi)粘Ｉ钪锌吹靡?jiàn)、摸得著的保密通信應(yīng)用。
前言量子通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本書(shū)較為系統(tǒng)全面地闡述了量子通信的理論基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)和典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容，可為相關(guān)領(lǐng)域工作者和興趣愛(ài)好者提供理論知識(shí)、實(shí)踐方法和參考樣例。從通信的發(fā)展入手，介紹保密通信的困境，以及量子通信的重要意義；對(duì)量子通信的主要協(xié)議和方案進(jìn)行了歸納講解，并針對(duì)量子通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)、攻擊和防御，以及量子通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)情況進(jìn)行了分析；尤以典型量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)為例，闡述了量子通信系統(tǒng)的構(gòu)建。
全書(shū)共10章。第1章量子通信技術(shù)發(fā)展，介紹量子通信的發(fā)展起源和價(jià)值，以及目前的研究形勢(shì)；第2章量子力學(xué)基礎(chǔ)，提供相關(guān)研究的部分預(yù)備知識(shí)；第3～6章量子通信理論原理和協(xié)議方案，具體涵蓋量子密鑰分發(fā)、量子安全直接通信、量子隱形傳態(tài)和量子秘密共享；第7、8章分別介紹量子通信中部分關(guān)鍵技術(shù)和量子通信中一些安全問(wèn)題；第9、10章簡(jiǎn)述量子通信網(wǎng)絡(luò)和典型量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)案例。
中國(guó)航天科工集團(tuán)的張國(guó)萬(wàn)、霍娟、朱云亮、程學(xué)彬和姜來(lái)對(duì)手稿進(jìn)行了全面仔細(xì)的審核，毛磊、王智斌、劉笑華為本書(shū)的出版提出了寶貴的意見(jiàn)和建議，在此表示衷心的感謝！全書(shū)的編寫(xiě)工作得到了中國(guó)航天科工集團(tuán)同仁的大力支持，在此一并表示感謝！最后感謝北京航空航天大學(xué)出版社各位老師認(rèn)真而全面的校對(duì)和對(duì)本書(shū)付出的精心指導(dǎo)！
量子通信領(lǐng)域每隔一段時(shí)間就會(huì)有大量成果涌出，本書(shū)不能以偏概全。另外由于作者水平有限，書(shū)中難免存在不妥之處，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。
作者
2022年1月
第1章量子通信技術(shù)發(fā)展1
1.1通信技術(shù)的發(fā)展1
1.2保密通信3
1.3密碼學(xué)3
1.3.1密碼學(xué)的發(fā)展4
1.3.2密碼學(xué)的分類6
1.4量子計(jì)算與量子通信8
1.4.1量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)9
1.4.2傳統(tǒng)保密通信中的困難11
1.4.3量子通信的興起12
1.5國(guó)內(nèi)外量子通信戰(zhàn)略13
1.5.1國(guó)外戰(zhàn)略布局13
1.5.2國(guó)內(nèi)戰(zhàn)略發(fā)展20
1.6國(guó)內(nèi)外量子通信技術(shù)發(fā)展22
1.6.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀22
1.6.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀24
1.7注記25
參考文獻(xiàn)26
第2章量子力學(xué)基礎(chǔ)27
2.1常用概念及工具27
2.1.1希爾伯特空間27
2.1.2量子態(tài)28
2.1.3量子態(tài)疊加28
2.1.4量子比特29
2.1.5光子編碼30
2.1.6直積態(tài)和糾纏態(tài)31
2.1.7量子糾纏純化32
2.1.8量子門(mén)33
2.2量子力學(xué)基本理論34
2.2.1海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理35
2.2.2量子不可克隆定理36
2.2.3EPR悖論37
2.3注記39
參考文獻(xiàn)39
目錄量子通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)第3章量子密鑰分發(fā)41
3.1量子密鑰分發(fā)的原理與發(fā)展41
3.1.1量子密鑰分發(fā)原理41
3.1.2協(xié)議研究進(jìn)展43
3.2部分典型量子密鑰分發(fā)協(xié)議45
3.2.1BB84協(xié)議45
3.2.2B92協(xié)議47
3.2.3E91協(xié)議48
3.2.4典型協(xié)議安全性分析50
3.3誘騙態(tài)MDIQKD協(xié)議51
3.4注記53
參考文獻(xiàn)54
第4章量子安全直接通信55
4.1量子安全直接通信的原理與發(fā)展55
4.1.1量子安全直接通信原理56
4.1.2量子安全直接通信與量子密鑰分發(fā)57
4.1.3量子安全直接通信協(xié)議發(fā)展57
4.2部分量子安全直接通信協(xié)議59
4.2.1高效量子安全直接通信協(xié)議59
4.2.2乒乓協(xié)議60
4.2.3LM05協(xié)議61
4.2.4兩步量子安全直接通信協(xié)議62
4.2.5改進(jìn)兩步量子安全直接通信協(xié)議64
4.2.6一次一密量子安全直接通信協(xié)議68
4.2.7高維量子安全直接通信協(xié)議69
4.2.8其他GHZ量子安全直接通信協(xié)議70
4.2.9抗噪聲的量子安全直接通信協(xié)議71
4.3注記72
參考文獻(xiàn)72
第5章量子隱形傳態(tài)75
5.1量子隱形傳態(tài)的原理與發(fā)展75
5.1.1量子隱形傳態(tài)原理75
5.1.2量子隱形傳態(tài)協(xié)議發(fā)展77
5.2量子隱形傳態(tài)的主要類別78
5.2.1分離變量量子隱形傳態(tài)78
5.2.2連續(xù)變量量子隱形傳態(tài)79
5.2.3受控量子隱形傳態(tài)81
5.3注記82
參考文獻(xiàn)83
第6章量子秘密共享85
6.1量子秘密共享的產(chǎn)生85
6.2量子秘密共享協(xié)議研究86
6.2.1典型量子秘密共享86
6.2.2安全直接通信下的量子秘密共享87
6.2.3多方與多方的量子秘密共享87
6.2.4動(dòng)態(tài)量子秘密共享88
6.2.5半量子秘密共享89
6.2.6局部操作和經(jīng)典通信下的量子秘密共享89
6.3典型協(xié)議介紹90
6.3.1第一個(gè)量子秘密共享協(xié)議——HBB90
6.3.2雙光子三維Bell態(tài)量子秘密共享協(xié)議92
6.4注記94
參考文獻(xiàn)94
第7章量子通信中的關(guān)鍵技術(shù)97
7.1量子光源制備技術(shù)97
7.1.1單光子源98
7.1.2糾纏光源100
7.2量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生技術(shù)101
7.2.1量子隨機(jī)數(shù)研究現(xiàn)狀概述102
7.2.2基于光子路徑選擇的量子隨機(jī)數(shù)103
7.2.3設(shè)備無(wú)關(guān)的量子隨機(jī)數(shù)105
7.2.4基于量子隧穿效應(yīng)的量子隨機(jī)數(shù)106
7.2.5基于庫(kù)侖阻塞效應(yīng)的量子隨機(jī)數(shù)108
7.3單光子探測(cè)技術(shù)109
7.3.1基于光電倍增管的單光子探測(cè)109
7.3.2基于雪崩二極管的單光子探測(cè)111
7.3.3超導(dǎo)單光子探測(cè)112
7.4量子中繼技術(shù)114
7.4.1量子中繼的原理114
7.4.2量子中繼方案115
7.5量子編碼技術(shù)116
7.5.1量子編碼的問(wèn)題116
7.5.2量子編碼的發(fā)展117
7.6注記118
參考文獻(xiàn)118
第8章量子通信中的安全問(wèn)題121
8.1側(cè)信道攻擊誘發(fā)的安全性研究121
8.2實(shí)用量子通信器件安全性分析概述122
8.2.1光源安全問(wèn)題123
8.2.2有源光學(xué)器件安全問(wèn)題124
8.2.3無(wú)源光學(xué)器件安全問(wèn)題126
8.2.4探測(cè)器安全問(wèn)題127
8.3波長(zhǎng)攻擊130
8.3.1波長(zhǎng)攻擊原理130
8.3.2BB84系統(tǒng)波長(zhǎng)攻擊實(shí)驗(yàn)分析133
8.3.3MDIQKD中波長(zhǎng)攻擊下安全性分析136
8.3.4波長(zhǎng)攻擊防御策略138
8.4注記139
參考文獻(xiàn)139
第9章量子通信網(wǎng)絡(luò)141
9.1量子通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展141
9.2量子通信網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)技術(shù)方案143
9.2.1基于量子中繼的方案143
9.2.2基于光開(kāi)關(guān)的方案144
9.2.3基于可信中繼的方案145
9.2.4基于多路復(fù)用器的方案146
9.2.5基于集控站的方案147
9.3各國(guó)及地區(qū)的量子通信網(wǎng)絡(luò)148
9.3.1美國(guó)DARPA量子通信網(wǎng)絡(luò)148
9.3.2美國(guó)洛斯阿拉莫斯量子通信網(wǎng)絡(luò)149
9.3.3美國(guó)巴特爾量子通信網(wǎng)絡(luò)150
9.3.4歐洲SECOQC量子通信網(wǎng)絡(luò)150
9.3.5瑞士日內(nèi)瓦量子通信網(wǎng)絡(luò)151
9.3.6西班牙馬德里量子通信網(wǎng)絡(luò)152
9.3.7中國(guó)合肥3節(jié)點(diǎn)和5節(jié)點(diǎn)量子電話網(wǎng)152
9.3.8中國(guó)蕪湖量子政務(wù)網(wǎng)153
9.3.9日本量子通信網(wǎng)絡(luò)153
9.4量子衛(wèi)星通信154
9.5量子網(wǎng)絡(luò)中的身份驗(yàn)證和路由155
9.6注記156
參考文獻(xiàn)157
第10章典型量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)案例159
10.1量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)一般性模型159
10.1.1量子光源160
10.1.2量子態(tài)制備161
10.1.3量子信道和經(jīng)典信道161
10.1.4量子態(tài)探測(cè)162
10.1.5后處理164
10.2“plug&play”量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)164
10.2.1“plug&play”量子密鑰分發(fā)方案165
10.2.2“plug&play”系統(tǒng)主要組成和工作流程167
10.2.3結(jié)構(gòu)層級(jí)劃分和模塊功能169
10.3基于連續(xù)變量的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)171
10.3.1基于連續(xù)變量的量子密鑰分發(fā)方案171
10.3.2關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)173
10.3.3模塊化封裝及系統(tǒng)集成176
10.4星地量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)176
10.4.1星地量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)方案177
10.4.2星載ATP系統(tǒng)設(shè)計(jì)177
10.4.3粗精跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)180
10.5注記182
參考文獻(xiàn)182
附錄常見(jiàn)英文對(duì)照185
書(shū)單推薦
