量子通信卫星
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发布时间：2022-04-23 02:27
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时间：2023-07-16 00:55
深度解析本周最耀眼板块——量子通信
作者/钟海森
量子通信是啥？
1、定义
咱们先来了解一下量子的概念吧。
量子一词来自拉丁语quantus，意为“有多少”，代表“相当数量的某物质”。
它是现代物理学的重要概念，最早由马克思·普朗克在1900年提出。普朗克假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的，只能取能量基本单位的整数倍。
后来的研究表明，不但能量表现出这种不连续的分离化性质，其他物理量诸如角动量、自旋、电荷等也都表现出这种不连续的量子化现象。在此基础上延伸出来的量子力学、量子光学等成为不同的专业研究领域。
而量子通信是利用量子相干叠加、量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信技术，是物理学和信息学的交叉产物。
从物理学角度看，量子通信是在物理极限下利用量子效应现象完成的高性能通信，从物理原理上确保通信的绝对安全，解决了通信技术无法解决的问题，是一种全新的通信方式。
从信息学角度看，量子通信是利用量子不可克隆或者量子*传输等量子特性，借助量子测量的方法实现两地之间的信息数据传输。
量子通信中传输的不是经典信息，而是量子态携带的量子信息，是未来通信技术的重要发展方向。
（量子通信与量子理论的关系）↑
量子通信大致的工作系统
（量子通信工作系统流程图）↑
2、量子通信两大核心方案
量子密钥分发(QKD,Quantum Key Distribution)
量子密钥分发是以量子态为信息载体，基于量子纠缠关系和量子不可克隆定理，通过量子信道使通信收发双方共享密钥，是密码学与量子力学相结合的产物。
其具体做法是用弱相干光源发射光子，因为弱相干光源弱到一定程度，光子会被分离出来，把一个信息编码在一个光子上，一个光子有着不同的量子态，把光子通过光纤发射过去，接收方接到密钥后进行解码。
现有的量子密钥分发技术可以实现实验室状态下200公里以上的量子通信，再辅以光开关等技术，可以实现量子密钥分发网络的运用。
（基于QKD的量子通信保密系统）
本质上说，量子密钥分发其实依旧依托于光纤通信，而单光子具有不可分割性是量子密码安全性的物理基础。因而量子密钥分发并非*经典通信，更像是给经典通信增加了更加安全的量子密码保障。
量子*传态（Quantum Teleportation）
量子*传态又称量子远程传态或量子离物传态，是利用量子纠缠的不确定特性，将某个量子的未知量子态传送到另一个地方，然后将另一个量子制备到该量子态上，而原来的量子仍留在原处。
其基本原理是利用量子纠缠对的远程关联，通过对其中一个纠缠量子和某一个未知量子态进行一些本地测量，实现这个未知量子态在另一个纠缠量子上再现出来。
量子态传送过程是*的，通信过程中传输的只是表达量子信息的“状态”，而并不传输作为信息载体的量子本身，通信没有经历空间与时间，不发送任何量子，而是将未知量子态所包含的信息传送出去。
去年，中科大副校长潘建伟院士的“多自由度量子*传态”研究被评为 2015年度国际物理学领域的十项重大突破之首。
总结一下，量子密钥分发与量子*传态之间一个很重要的区别在于：前者在传送量子态的过程中，光子会经由光纤或自由空间被实际传送到接收方； 后者则不然，纠缠光子对分处两地，量子态在一处消失后，却在另一处被重现，而光子本身却并不被传送。
目前，量子密钥分发已经开始产业化，包括下半年即将完工开通的“京沪干线”，以及沪杭量子通信干线，陆家嘴量子通信金融网等。而量子*传态虽然在技术上中国走在美国的前列，但现在仅仅是技术突破，离产业化还尚有距离。
3、量子通信的特性
量子通信的特性不可分割性：因为光子具有不可分割性。在单光子发射的情况下，窃听者不可能采用将光子分成两半，一半用于获得密钥，一半传输给接收方的方式避免被发现。
无法克隆性：因为光子是无法准确测量的，所以不能被窃听者复制。窃听者无法通过准确测量光子，克隆出一个一模一样的量子获取信息。
所以说在量子通信的范畴内，只要窃听者窃取信息，必定会被发现。
另外，随着计算机（尤其是量子计算机的研制）运算速度不断提高，原来经典的、传统的公开密钥算法（RSA）受到冲击，相对只能依靠密码长度和复杂性保证安全性的RSA算法而言，量子通信可以真正做到“一次一密”，真正实现密码无法破译。
市场空间
量子通信属于高科技产品，最初的应用主要在军事需求，超高的安全性，因此，得到国防的大力投入，在研究实力方面，军方的量子通信技术是最高的。随着技术的成熟，量子通信开始向民用拓展，实现科学技术转化成生产力。
《2016-2020年中国量子通信行业深度调研及投资前景预测报告》中指出，量子通信在军事、国防、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景，不仅可用于军事、国防 等领域的国家级保密通信，还可用于涉及秘密数据和票据的电信、证券、保险、银行、工商、地税、财政以及企业云存储、数据中心等领域和部门，而技术又相对成熟，未来市场容量极大。
（量子通信应用范围）
其中在专网市场，根据前瞻产业研究院的数据，2014年国内专网通信市场规模约为76.2亿，2012-2014年复合增长率约为14%。
随着量子通信技术的引入，国家对专网的持续投入加大，我们预期专业无线通信市场未来几年将保持高速度增长，保守估计到2020年我国专网通信行业的市场规模将有望达到300亿元，（2014-2020年间复合增速为25.66%）。
由于专网市场增量需求中比较大的一块来源于量子通信的渗透于应用，预计到2020年，将有35%的专网市场有望采用量子通信技术。
因此，在专网市场内，量子通信的专网市场规模有望达到105亿左右。
（国内专网市场规模及增长预期）
而在公网市场，三大运营商的资本支出主要决定了国内公网投资建设的市场规模。由于4G投资，三大运营商在近两年的资本支出出现一定程度上涨，合计达4000亿左右。
未来，随着4G投资的结束，以及营改增对于三大运营商的利润压力，其每年资本支出将出现一定程度回落，预计为3500亿左右。若到2020年，在公网市场，量子通信对于传统通信的替代率为2.5%，量子通信在公网市场中的规模将达到70亿元左右。
量子通信爆发的催化剂首颗量子科学实验卫星将在2016年8月择机发射，将首次实现卫星和地面间量子通信，初步构建我国广域量子通信系统，并推动量子通信在广域网无线加密中的发展。
这将是国际上首次实现星地间量子通信，初步构建我国广域量子通信体系，并极大推动广域量子网络发展。
（量子通信卫星）
而且根据预测，在首颗量子实验卫星发射成功后，我国还将发射多颗卫星，到2020 年实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发,届时联接亚洲与欧洲的洲际量子通信网也将建成。到2030 年左右，则将建成全球化的广域量子通信网络。
下半年，京沪干线，杭沪干线和乌镇量子通信城域网建成，标志量子保密城际固网建设逐步展开。
京沪干线：世界第一条量子通信保密干线。2013年，中科院、中国科学技术大学启动“京沪干线”项目，传输距离达2000多公里，途经北京至上海多个城市，主要承载重要信息的保密传输。
（京沪干线示意图）
杭沪干线：全国第一条量子商用干线。该通信干线的速度将10倍于光纤量子通信干线“京沪干线”。从杭州到上海沿线，*、银行、企业等对数据保密传输需求较高的主体能获取安全性强、保密度高的专线数据服务。
乌镇量子通信城域网：“神州量子”公司将在今年建成乌镇量子通信城域网，届时，所有落户乌镇的互联网企业的数据中心都可以用量子通信网络串联起来，让数据在绝密安全的量子通信网络里互联互通。同时，乌镇的政务数据将在城域网内得到技术上最高级别的保护，乌镇电力系统的运营也将获得城域网的支持，乌镇的无线城市和智慧城市也将在更安全的网络环境中运行。
（量子保密固网示意图）
未来三年京津冀、长三角、珠三角等重点城市群将启动量子通信城域网建设，量子保密固网将初步形成全国性覆盖。
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