量子通信系统设计与实现

　　本书以发展的眼光看待通信技术，介绍传统保密通信的一些困境，以及量子通信的重要意义和发展战略，将量子通信的主要协议和方案择重点进行讲解，并介绍量子通信系统实现过程中的关键技术、部分攻击和防御方案，以及量子通信网络的建设情况，以典型量子通信系统为例，概述了相关系统的构建。 本书可作为高等院校量子信息领域相关专业低年级学生的入门教材，也可供从事相关领域研究的工作人员参考。

　　刘敦伟，高级工程师，主要从事量子信息技术领域研究，尤其注重在实用化量子通信系统及实用化量子加密技术相关研究。作为项目负责人和主要参与人开展了包括国家自然科学基金、国家863项目子课题、国防科工局基础前沿项目等研究工作，涵盖了学术理论研究和科学技术实用化研究。发表SCI、EI索引学术论文20余篇，申请发明专利10余项，出版学术专著《信息系统安全等级化保护原理与实践》1部。 冯杰鸿，研究员，主要从事人工智能、量子信息、空天防御等领域研究工作，发表学术论文二十余篇，参与编写著作多部。 马喆，研究员，主要从事量子光学、空天防御等领域研究工作，发表学术论文二十余篇，编写著作2部。

第1章量子通信技术发展1
1.1通信技术的发展1
1.2保密通信3
1.3密码学3
1.3.1密码学的发展4
1.3.2密码学的分类6
1.4量子计算与量子通信8
1.4.1量子计算的优势9
1.4.2传统保密通信中的困难11
1.4.3量子通信的兴起12
1.5国内外量子通信战略13
1.5.1国外战略布局13
1.5.2国内战略发展20
1.6国内外量子通信技术发展22
1.6.1国外发展现状22
1.6.2国内发展现状24
1.7注记25
参考文献26
第2章量子力学基础27
2.1常用概念及工具27
2.1.1希尔伯特空间27
2.1.2量子态28
2.1.3量子态叠加28
2.1.4量子比特29
2.1.5光子编码30
2.1.6直积态和纠缠态31
2.1.7量子纠缠纯化32
2.1.8量子门33
2.2量子力学基本理论34
2.2.1海森堡测不准原理35
2.2.2量子不可克隆定理36
2.2.3EPR悖论37
2.3注记39
参考文献39
目录量子通信系统设计与实现第3章量子密钥分发41
3.1量子密钥分发的原理与发展41
3.1.1量子密钥分发原理41
3.1.2协议研究进展43
3.2部分典型量子密钥分发协议45
3.2.1BB84协议45
3.2.2B92协议47
3.2.3E91协议48
3.2.4典型协议安全性分析50
3.3诱骗态MDIQKD协议51
3.4注记53
参考文献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与发展55
4.1.1量子安全直接通信原理56
4.1.2量子安全直接通信与量子密钥分发57
4.1.3量子安全直接通信协议发展57
4.2部分量子安全直接通信协议59
4.2.1高效量子安全直接通信协议59
4.2.2乒乓协议60
4.2.3LM05协议61
4.2.4两步量子安全直接通信协议62
4.2.5改进两步量子安全直接通信协议64
4.2.6一次一密量子安全直接通信协议68
4.2.7高维量子安全直接通信协议69
4.2.8其他GHZ量子安全直接通信协议70
4.2.9抗噪声的量子安全直接通信协议71
4.3注记72
参考文献72
第5章量子隐形传态75
5.1量子隐形传态的原理与发展75
5.1.1量子隐形传态原理75
5.1.2量子隐形传态协议发展77
5.2量子隐形传态的主要类别78
5.2.1分离变量量子隐形传态78
5.2.2连续变量量子隐形传态79
5.2.3受控量子隐形传态81
5.3注记82
参考文献83
第6章量子秘密共享85
6.1量子秘密共享的产生85
6.2量子秘密共享协议研究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多方与多方的量子秘密共享87
6.2.4动态量子秘密共享88
6.2.5半量子秘密共享89
6.2.6局部操作和经典通信下的量子秘密共享89
6.3典型协议介绍90
6.3.1第一个量子秘密共享协议——HBB90
6.3.2双光子三维Bell态量子秘密共享协议92
6.4注记94
参考文献94
第7章量子通信中的关键技术97
7.1量子光源制备技术97
7.1.1单光子源98
7.1.2纠缠光源100
7.2量子随机数发生技术101
7.2.1量子随机数研究现状概述102
7.2.2基于光子路径选择的量子随机数103
7.2.3设备无关的量子随机数105
7.2.4基于量子隧穿效应的量子随机数106
7.2.5基于库仑阻塞效应的量子随机数108
7.3单光子探测技术109
7.3.1基于光电倍增管的单光子探测109
7.3.2基于雪崩二极管的单光子探测111
7.3.3超导单光子探测112
7.4量子中继技术114
7.4.1量子中继的原理114
7.4.2量子中继方案115
7.5量子编码技术116
7.5.1量子编码的问题116
7.5.2量子编码的发展117
7.6注记118
参考文献118
第8章量子通信中的安全问题121
8.1侧信道攻击诱发的安全性研究121
8.2实用量子通信器件安全性分析概述122
8.2.1光源安全问题123
8.2.2有源光学器件安全问题124
8.2.3无源光学器件安全问题126
8.2.4探测器安全问题127
8.3波长攻击130
8.3.1波长攻击原理130
8.3.2BB84系统波长攻击实验分析133
8.3.3MDIQKD中波长攻击下安全性分析136
8.3.4波长攻击防御策略138
8.4注记139
参考文献139
第9章量子通信网络141
9.1量子通信网络的发展141
9.2量子通信网络中间节点技术方案143
9.2.1基于量子中继的方案143
9.2.2基于光开关的方案144
9.2.3基于可信中继的方案145
9.2.4基于多路复用器的方案146
9.2.5基于集控站的方案147
9.3各国及地区的量子通信网络148
9.3.1美国DARPA量子通信网络148
9.3.2美国洛斯阿拉莫斯量子通信网络149
9.3.3美国巴特尔量子通信网络150
9.3.4欧洲SECOQC量子通信网络150
9.3.5瑞士日内瓦量子通信网络151
9.3.6西班牙马德里量子通信网络152
9.3.7中国合肥3节点和5节点量子电话网152
9.3.8中国芜湖量子政务网153
9.3.9日本量子通信网络153
9.4量子卫星通信154
9.5量子网络中的身份验证和路由155
9.6注记156
参考文献157
第10章典型量子密钥分发系统案例159
10.1量子密钥分发系统一般性模型159
10.1.1量子光源160
10.1.2量子态制备161
10.1.3量子信道和经典信道161
10.1.4量子态探测162
10.1.5后处理164
10.2“plug&play”量子密钥分发系统164
10.2.1“plug&play”量子密钥分发方案165
10.2.2“plug&play”系统主要组成和工作流程167
10.2.3结构层级划分和模块功能169
10.3基于连续变量的量子密钥分发系统171
10.3.1基于连续变量的量子密钥分发方案171
10.3.2关键模块设计173
10.3.3模块化封装及系统集成176
10.4星地量子密钥分发系统176
10.4.1星地量子密钥分发系统方案177
10.4.2星载ATP系统设计177
10.4.3粗精跟踪系统设计180
10.5注记182
参考文献182
附录常见英文对照185