1.1 研究目的及意义

量子通信是一种有别于经典通信的新型通信技术，在数学上通过了严格的安全性证明，具有绝对安全的特点。本毕业论文的目的是通过综述量子通信的基本原理、方法、技术手段与应用，介绍量子通信的技术与应用现状，对量子通信未来的发展方向作出展望。

量子通信的提出始于上个世界八九十年代，包括量子密匙分发（quantum key distribution，QKD）和量子态隐形传输（quantum teleportation）。量子密匙分发可以建立安全的通信密码，通过一次一密的加密方式可以实现在数学上获得严格证明的绝对安全的点对点通信。这是经典通信迄今为止所不能做到的。而量子态隐形传输是基于量子纠缠态的分发与量子联合测量，实现信息的传输却不移动物理载体本身的一种经典通信中无法想象的通信方式。通过这种方式可以实现任意远距离的量子密匙分发及网络。本论文旨在介绍量子通信的基本概念和方法，分析技术现状，并且展望未来的应用前景。

量子通信作为未来信息通信行业的一个新兴战略性制高点，已经成为了国家科技竞争力的主战场之一。而我国凭借优秀的研究团队和研究人员不懈的努力，也在量子通信领域与国际发展保持同步并跨越引领。近两年来，量子通信的研究和应用发展明显加速，收获了越来越多的关注和重视。所以，为了在国家通信安全领域和ICT产业中发挥量子通信的巨大作用，量子通信的研究势在必行。

1.2国内外研究现状

自1992年第一个量子密匙发布实验成功以来，量子通信技术在国内外都得到了迅猛的发展。

1993年，英国国防部研究局实现了在光纤中利用BB84协议进行了10km距离上的量子密匙分发。2000年, 美国阿拉莫斯国家实验室实现了1.6 km自由空间的量子密钥分发。2004年, 日本NEC公司在光纤上量子密钥分发距离达到了150 km。2006年, 德国、奥地利、意大利、英国的4所大学在两个海岛之间进行了夜晚144 km的自由空间量子密钥分发实验。2008年, 欧盟在维也纳开通了有8个用户的量子网络。2008年, 意大利和奥地利的科学家首次识别出从1 500 km高的卫星上反射回地球的单批光子, 从而为星地量子通信打下了基础。

随着量子密钥分发技术的发展和逐步成熟，世界各国试点应用呈现快速发展趋势，2003年美国DARPA资助哈佛大学建立了世界首个量子密钥分发保密通信网络。此后，欧美日等多个地区和国家相继建成了瑞士量子、东京QKD和维也纳SECOQC等多个量子通信实验网络，演示和验证了城域组网、量子电话、基础设备保密通信等应用。2013年美国知名研究机构Battelle公布了环美量子通信骨干网络项目，计划采用瑞士IDQ公司设备，基于分段量子密钥分发结合安全可信节点密码中继的组网方式，为谷歌、微软、亚马逊等互联网巨头的数据中心提供具备量子安全性的通信保障服务。

在国内, 量子通信以中国科技大学的潘建伟和郭光灿两个研究小组为主, 他们的研究成果经常发表于《Nature》等重要国际刊物。可以说, 中国的量子通信水平已居世界前列。以下是中国学者在量子通信领域的主要发展历程:

1995年, 中国科学院物理所首次用BB84协议完成了演示实验。2003年, 中国科技大学在校园内铺设了3.2 km的量子通信系统。2005年, 郭光灿小组在北京和天津之间完成了125 km的光纤量子通信实验。2012年, 潘建伟团队建设成功“合肥城域量子通信实验示范网”。该网络有46个节点, 连接40组“量子电话”用户和16组“量子视频”用户。2012年, 中国学者在青海湖完成了百公里量级纠缠光子对的量子密钥分发实验。2013年, 中国科学院联合相关部门启动了上千公里的光纤量子通信骨干网工程“京沪干线”项目。这一项目于2017年9月29日正式开通。2016年, 中国酒泉卫星发射中心发射了全球首颗量子通信实验卫星, 目标是实现北京和乌鲁木齐之间的量子保密通信, 并且在德令哈和丽江之间实现了距离1 200 km的大尺度量子非定域性检验, 还在卫星和阿里之间实现了星地量子隐形传态。该卫星质量约640 kg, 运行在高度为500 km的轨道上。卫星上有4个载荷:量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源、量子试验与控制处理机, 可与地面上相距千公里量级的两处光学站同时建立量子光路链接。采用星地量子通信, 可以大大扩展通信距离, 但实验的难度也很高。本次实验的难点有两个:一是单光子发送和接收的对准技术。单光子接收机的镜头直径是很小的, 要与几百公里远的卫星进行对准, 难度之大可想而知。二是单光子的自动跟踪捕获技术。在通信过程中, 卫星和地面都在运动, 要在运动中始终保持对准, 对实验设备和技术提出了很大挑战。只要克服了这两个困难, 其他的都不是问题, 因为量子通信技术在地面上的实现已经非常成熟了。