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| 編輯推薦： |
从量子通信诞生之初，褒扬和质疑便不绝于耳，新生的事物向来需要经历社会的历练，具有颠覆性价值的技术便更是如此。量子通信从上世纪80年代诞生个协议以来，已经形成了较为完善的技术体系和发展生态，未来仍然需要在此基础上进一步形成突破性进展，从而产生人们日常生活中看得见、摸得着的保密通信应用。
本书以信息安全发展需求为牵引，基于量子力学基本理论，结合现阶段量子通信处于理论研究和实用化发展十字路口的现状，解答相关领域科研工作人员、工程设计师和技术爱好者对量子通信理论的困惑，为理工背景人员提供近距离构建量子通信系统的机会和技术手段，揭开量子通信系统设计的面纱。
本书较为系统全面的阐述了量子通信的战略和技术发展、理论基础、关键技术和典型系统设计内容，可为相关领域工作者和兴趣爱好者提供理论知识、实践方法和参考样例。以发展的眼光看待通信技术，向读者介绍保密通信的困境，以及量子通信的重要意义。将量子通信的主要协议和方案向读者讲解，也针对量子通信系统实现过程中的关键技术、攻击和防御，以及量子通信网络的建设情况进行了分析，尤以典型量子通信系统为例，向读者阐述了相关系统的构建。
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| 內容簡介： |
本书以发展的眼光看待通信技术，介绍一些传统保密通信的困境，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。
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| 關於作者： |
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技术实用化研究。发表学术论文20余篇，申请发明专利10余项，出版学术专著1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。
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| 目錄：
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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8
1.4.2传统保密通信中的困难11
1.4.3量子通信的兴起11
1.5国内外量子通信战略12
1.5.1国外战略布局12
1.5.2国内战略发展17
1.6国内外量子通信技术发展19
1.6.1国外发展现状19
1.6.2国内发展现状21
1.7注记22
参考文献23
第2章量子力学基础25
2.1常用概念及工具25
2.1.1希尔伯特空间25
2.1.2量子态26
2.1.3量子态叠加26
2.1.4量子比特27
2.1.5光子编码28
2.1.6直积态和纠缠态29
2.1.7量子纠缠纯化30
2.1.8量子门31
2.2量子力学基本理论32
2.2.1海森堡测不准原理33
2.2.2量子不可克隆定理34
2.2.3EPR悖论35
2.3注记37
参考文献37
第3章量子密钥分发39
3.1量子密钥分发的原理与发展39
3.1.1量子密钥分发原理39
3.1.2协议研究进展41
3.2部分典型量子密钥分发协议43
3.2.1BB84协议43
3.2.2B92协议45
3.2.3E91协议46
3.2.4典型协议安全性分析48
3.3诱骗态MDIQKD协议49
3.4注记51
参考文献52
第4章量子安全直接通信53
4.1量子安全直接通信的原理与发展53
4.1.1量子安全直接通信原理54
4.1.2量子安全直接通信与量子密钥分发55
4.1.3量子安全直接通信协议发展55
4.2部分量子安全直接通信协议57
4.2.1高效量子安全直接通信协议57
4.2.2乒乓协议58
4.2.3LM05协议59
4.2.4两步量子安全直接通信协议60
4.2.5改进两步量子安全直接通信协议62
4.2.6一次一密量子安全直接通信协议66
4.2.7高维量子安全直接通信协议67
4.2.8其他GHZ量子安全直接通信协议68
4.2.9抗噪声的量子安全直接通信协议69
4.3注记70
参考文献70
第5章量子隐形传态73
5.1量子隐形传态的原理与发展73
5.1.1量子隐形传态原理73
5.1.2量子隐形传态协议发展75
5.2量子隐形传态的主要类别76
5.2.1分离变量量子隐形传态76
5.2.2连续变量量子隐形传态77
5.2.3受控量子隐形传态79
5.3注记80
参考文献81
第6章量子秘密共享83
6.1量子秘密共享的产生83
6.2量子秘密共享协议研究84
6.2.1典型量子秘密共享84
6.2.2安全直接通信下的量子秘密共享85
6.2.3多方与多方的量子秘密共享85
6.2.4动态量子秘密共享86
6.2.5半量子秘密共享87
6.2.6局部操作和经典通信下的量子秘密共享87
6.3典型协议介绍88
6.3.1个量子秘密共享协议——HBB88
6.3.2双光子三维Bell态量子秘密共享协议90
6.4注记92
参考文献92
第7章量子通信中的关键技术95
7.1量子光源制备技术95
7.1.1单光子源96
7.1.2纠缠光源98
7.2量子随机数发生技术99
7.2.1量子随机数研究现状概述100
7.2.2基于光子路径选择的量子随机数101
7.2.3设备无关的量子随机数103
7.2.4基于量子隧穿效应的量子随机数104
7.2.5基于库仑阻塞效应的量子随机数106
7.3单光子探测技术107
7.3.1基于光电倍增管的单光子探测107
7.3.2基于雪崩二极管的单光子探测109
7.3.3超导单光子探测110
7.4量子中继技术112
7.4.1量子中继的原理112
7.4.2量子中继方案113
7.5量子编码技术114
7.5.1量子编码的问题114
7.5.2量子编码的发展115
7.6注记116
参考文献116
第8章量子通信中的安全问题119
8.1侧信道攻击诱发的安全性研究119
8.2实用量子通信器件安全性分析概述120
8.2.1光源安全问题121
8.2.2有源光学器件安全问题122
8.2.3无源光学器件安全问题124
8.2.4探测器安全问题125
8.3波长攻击128
8.3.1波长攻击原理128
8.3.2BB84系统波长攻击实验分析131
8.3.3MDIQKD中波长攻击下安全性分析134
8.3.4波长攻击防御策略136
8.4注记137
参考文献137
第9章量子通信网络139
9.1量子通信网络的发展139
9.2量子通信网络中间节点技术方案141
9.2.1基于量子中继的方案141
9.2.2基于光开关的方案142
9.2.3基于可信中继的方案143
9.2.4基于多路复用器的方案144
9.2.5基于集控站的方案145
9.3各国及地区的量子通信网络146
9.3.1美国DARPA量子通信网络146
9.3.2美国洛斯阿拉莫斯量子通信网络147
9.3.3美国巴特尔量子通信网络148
9.3.4欧洲SECOQC量子通信网络148
9.3.5瑞士日内瓦量子通信网络149
9.3.6西班牙马德里量子通信网络150
9.3.7中国合肥3节点和5节点量子电话网150
9.3.8中国芜湖量子政务网151
9.3.9日本量子通信网络151
9.4量子卫星通信152
9.5量子网络中的身份验证和路由153
9.6注记154
参考文献155
第10章典型量子密钥分发系统案例157
10.1量子密钥分发系统一般性模型157
10.1.1量子光源158
10.1.2量子态制备159
10.1.3量子信道和经典信道159
10.1.4量子态探测160
10.1.5后处理162
10.2“plug&play”量子密钥分发系统162
10.2.1“plug&play”量子密钥分发方案163
10.2.2“plug&play”系统主要组成和工作流程165
10.2.3结构层级划分和模块功能167
10.3基于连续变量的量子密钥分发系统169
10.3.1基于连续变量的量子密钥分发方案169
10.3.2关键模块设计171
10.3.3模块化封装及系统集成174
10.4星地量子密钥分发系统174
10.4.1星地量子密钥分发系统方案175
10.4.2星载ATP系统设计175
10.4.3粗精跟踪系统设计178
10.5注记180
参考文献180
附录常见英文对照183
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序言
量子技术基于量子力学等基础物理理论，具有突破传统技术“经典极限”的能力。发展至今，有人将量子技术带来的影响归纳为两次“量子革命”。目前，人们所处的“第二次量子革命”以微观量子态的观测、制备和调控等为主要特征，涉及的技术方向或领域包括量子计算、量子通信、量子成像、量子导航与测量等。近来，美国、欧盟、日本等加大了量子技术的推动力度，尤其是量子计算和量子通信得到重点支持和关注，相关机构和企业的研究也逐渐趋向具体应用。
参照现有成熟的经典保密通信，量子通信主要分为量子密钥分发、量子直接通信和量子秘密共享，以及其他可发展的量子安全工具等。简单来说，若能利用量子器件产生理想随机数，并且据此实现密钥分发或秘密的直接发送，或结合一次一密“乱码本”，则理论上可实现安全的通信过程，即使存在窃听，窃听者也无法破解。
就安全性而言： 量子通信的安全性已有丰富的理论支撑，但仍然面临器件安全、信道安全和代理安全等问题，需要在方案创新的同时，进一步突破一批创新技术，以期达到设计的“初心”。就实用性而言： 一方面要考虑目标应用场景安全性指标的保障；另一方面还要提高传输距离和成码率，以期早日将丰富的应用场景“生活化”和“市场化”。站在理论安全的基础上，如果在安全性和实用性上能够达到应用的要求，那么量子通信将在未来的保密通信，甚至是信息安全领域发挥重要作用。
本书以信息安全技术发展和保密通信应用需求为牵引，开展全书的编撰工作。作者基于对国际上主要国家的相关战略支持、技术发展进行了较为充分的调研，讲解了量子通信中较为丰富的系列内容，对推进量子通信实用进程具有一定的价值。希望本书对相关领域科研工作人员、工程设计师和技术爱好者有一定的帮助。
北京大学教授安辉耀
2021年3月
前言
信息技术的不断发展，给人们的生活带来极大的便利，但也催生了日益丰富和突出的信息安全问题。前沿信息技术应用的不断深化，将改变现有信息管理和系统应用的模式，可能使攻击者采取更加多元的攻击手段，从而导致人们对信息网络结构安全、数据安全和信息内容安全的担忧日益增加。更为严重的是，信息安全不仅关系信息自身的安全，更对国家的政治、军事、经济和文化等安全具有重大战略价值。
保密通信作为信息安全的“骨灰级元老”，一直伴随着人类的发展，自古至今都极具价值，在很多时候决定着战争的走势，是信息安全领域的主要研究内容之一。保密通信要达到的目的无非有两个： 其一是尽可能不被窃取；其二是即使被窃也不会被破解。而传统的保密通信手段存在密钥产生和密钥分发两个安全性问题。尤其是在面临新的加密破解方法和量子计算等不对等计算优势时，传统保密通信或将形同虚设。
克劳德·艾尔伍德·香农在信息论中认为： 如果产生的密钥没有规律可言，并且只用一次，那么相同长度的密钥可以安全地加密信息。怎么才能实现一次一密呢？量子通信给出了答案。量子通信基于量子力学基本原理，产生量子随机密钥，并利用量子信道实现密钥分发，从而可实现理论上安全的一次一密。随着信息安全产业的发展，量子通信的重要价值不言而喻，世界各国从政府部门到研究机构，都给予其非同一般的关注： 政府部门出台政策支持，科研机构推动技术研发。迄今为止包括我国在内的世界主要国家，都在角逐量子通信技术和量子通信系统网络发展的主导地位。
近来，量子通信的发展愈加丰富，但一般可将具有一定特点的理论协议或者方案大致区分为量子密钥分发（QKD）、量子安全直接通信（QSDC）、量子隐形传态（QT）和量子秘密共享（QSS）等。当然有不少学者的分类方法更为细致，又或者略有不同，但是如果从诸多种类协议或方案中选择出为成熟的，那么非BB84量子密钥分发协议莫属。中国、美国和日本等国家都在构建或已实现了量子通信干线及网络。
另外需要直面的是，尽管量子通信在保密通信中体现了其突出的理论优势，但是在实际系统实现过程中仍然存在安全性和可靠性等问题，给原本晴空万里的蓝天笼罩上了一层阴霾。人们在研究保密通信的时候，一定会假定窃听者总是能够抓住系统存在的任何漏洞，所以针对实际量子通信安全隐患的各种攻击手段一定会扑面而来。未来随着器件工艺和技术瓶颈的突破，研制满足量子通信理论安全要求的器件是必不可少的，但当下，相关研究人员也已从器件选用和协议构建的角度去防御攻击。
从量子通信诞生之初，褒扬和质疑便不绝于耳，新生的事物向来需要经历社会的历练，具有颠覆性价值的技术更是如此。量子通信从20世纪80年代诞生的个协议以来，已经形成了较为完善的技术领域体系和技术发展生态环境，未来仍然需要在此基础上进一步取得突破性进展，从而开发出人们日常生活中看得见、摸得着的保密通信应用。
本书较为系统全面地阐述了量子通信的理论基础、关键技术和典型系统设计内容，可为相关领域工作者和兴趣爱好者提供理论知识、实践方法和参考样例。从通信的发展入手，介绍保密通信的困境，以及量子通信的重要意义；对量子通信的主要协议和方案进行了归纳讲解，并针对量子通信系统实现过程中的关键技术、攻击和防御，以及量子通信网络的建设情况进行了分析；尤以典型量子密钥分发系统设计和实现为例，阐述了量子通信系统的构建。
全书共10章。第1章量子通信技术发展，介绍量子通信的发展起源和价值，以及目前的研究形势；第2章量子力学基础，提供相关研究的部分预备知识；第3～6章量子通信理论原理和协议方案，具体涵盖量子密钥分发、量子安全直接通信、量子隐形传态和量子秘密共享；第7、8章分别介绍量子通信中部分关键技术和量子通信中一些安全问题；第9、10章简述量子通信网络和典型量子密钥分发系统案例。本书的符号遵循本领域书籍的习惯，为方便读者阅读，矩阵和向量统一用白斜体。
中国航天科工集团二院未来实验室的张国万、霍娟、朱云亮、程学彬和姜来对手稿进行了全面仔细的审核，毛磊、王智斌、刘笑华为本书的出版提出了宝贵的意见和建议，在此表示衷心的感谢！全书的编写工作得到了中国航天科工集团二院未来实验室领导和同仁的大力支持，在此一并表示感谢！后感谢北京航空航天大学出版社各位老师认真而全面的校对和对本书付出的精心指导！
量子通信领域每隔一段时间就会有大量成果涌出，本书不能以偏概全。另外由于作者水平有限，书中难免存在不妥之处，敬请读者批评指正。
作者
2021年1月于北京五棵松
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