经典_量子信道复用技术研究

经典-量子信道复用技术研究

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摘要：经典－量子信道复用传输是光纤量子密钥通信中的关键应用技术。通过讨论复用技术原理及其噪

声干扰因素，剖析该项技术需要解决的技术难题。总结了国外近年来的主流解决方案，深入分析其典型实验，并针对各类方案的技术特点提出其应用需求和发展趋势，为该技术的进一步研究提供参考思路。

关键词：量子密钥分发；量子通信网络；信道复用；波分复用；暗光纤中图分类号：TN918文献标识码：A 文章编号：1002-5561（2014）03-0059-04

王宇帅，李云霞，石磊，蒙文，李达，姬一鸣

（空军工程大学信息与导航学院，西安710077）

The research of classical-quantum channel

multiplexing technology

WANG Yu-shuai,LI Yun-xia,SHI Lei,MENG Wen,LI Da,JI Yi-ming

(Information and Navigation College,Air Force Engineering University,Xi'an 710077,China )

Abstract:The classical-quantum channel multiplexing transmission was one of the key application technolo-gies of quantum key communications.This text discussed the principle of multiplexing and noise which dis-turbed the system,analyzing the technical problems of this program.Then summarized mainstream foreign methods recently ，in-depth analyzing typical experiments.Aimed at all kinds of solutions,we put forward its application requirements and development tendency in order to provide reference thoughts for further study.Key words:quantum key distribution;quantum communication network;channel multiplexing;wavelength division multiplexing;dark fiber

0引言

在量子通信高速发展的今天，光纤量子密钥分发（QKD ）[1，2]作为量子通信中的重要领域，以其较成熟的技术手段、优良的传输载体实现了250km 以上的安全通信[3]，最高密钥分发速率达到Mb/s 级[4]。近几年来，量子密钥分发系统的实用化研究在国内外成为了关注热点[5，6]，一些高保密性小型通信网络已经开始应用于QKD 系统。

然而，目前的QKD 系统多采用物理上隔离的量子信道与经典信道完成传输任务，这就要求量子信号的传输占用光纤通信网络中的大量暗光纤（指无任何其它光信号传输的光纤）。尽管光纤造价很低，但其铺设成本及维护费用却很高。未来QKD 系统如果能应用于多用户通信网络中，对暗光纤消耗将更为严重。因此，人们转向研究经典-量子信道复用技术来降低

QKD 系统的经济建设成本，促进量子通信网络实用化

建设。

近年来，国外在经典-量子信道复用技术方向发展迅速，其基本思路是采用经典光通信中十分成熟的波分复用（WDM ）技术，实现量子信息光与经典信息光的同信道传输。然而，量子信息光为单个光子信号，具有能量低、抗噪性差的特点，与经典信息光实现波分复用存在较大困难[7]。目前，以美国和东欧为首的量子通信项目小组均在该技术领域开展实验研究，其主要采用波长隔离、窄带滤波和时域滤波等技术手段克服噪声干扰，实现复用传输。本文在剖析复用技术原理的基础上着眼具体解决方案，通过典型实验分析各类方案的优势及不足，并为今后的研究工作提出展望。

1复用技术原理及噪声源分析

以目前主流研究方向的波分复用系统为例，典型的经典-量子信道复用系统原理如图1所示，其中量子信道的主要噪声来源为掺铒光纤放大器（EDFA ）的自发辐射效应、波分解复用器有限的隔离度造成的信道串扰和光纤的非线性效应等。其中，EDFA 的自发辐射效应[8]所产生的噪声可以被波分解复用设备有效隔

收稿日期：2013-11-15。

作者简介：王宇帅（1990-），男，硕士生，主要研究方向为光纤量子通信。

DOI:10.13921/https://www.wendangku.net/doc/882100938.html,ki.issn1002-5561.2014.03.019

王宇帅，李云霞，石磊，等：经典-量子信道复用技术研究

离，对量子信道影响较小。信道串扰噪声不可避免，这是由现实条件下波分解复用设备的隔离度有限造成的。据研究[9]，一般情况下经典信息光对量子信道的串扰光子数约为10-5ns -1，其数值不随传输距离改变，对量子信道构成一定影响。光纤的非线性效应中自发喇曼散射效应的噪声波长覆盖频域宽，可达100nm 以上，并且能量分布均匀，随通信距离增加而增大。研究表明[10]，光纤长度为10km 时，在C 波段其对临近带宽为1nm 的信道产生的噪声光子数约为10-5ns -1，当光纤长度增加至50km 时，此数值上升至约10-4ns -1，该噪声光强已超过了量子信息光强，严重影响了量子信道性能且不易滤除，是经典-量子波分复用系统的最主要噪声源。

2主要解决思路

为消除上述噪声干扰，实现经典-量子信道复用技术应用，近年来国外数个量子通信项目小组采用各类技术手段进行了多次实验尝试，形成的主要方案大体分为两类：较远波长隔离方案；同波段传输方案。

2.1较远波长隔离方案

在经典-量子信道复用的噪声源中，占主要地位

的自发喇曼散射噪声覆盖频域较宽，因此人们探索出将QKD 信道与经典信道通过波分复用技术分别在同一根光纤的O 波段和C 波段传输的方案，以降低自发喇曼散射噪声影响；同时，又为避免经典信息光频率下移，使量子信息光产生受激喇曼散射。因此，一般情况下量子信道的波长低于经典信道，即量子信息光传输在O 波段，经典信息光传输在C 波段。

1997年，Townsend 报道了英国电信（BT ）进行的首次经典-量子信道复用实验[11]。该实验依托伦敦和东安格利亚大学多项网络测试平台（LEANET ），实现了

速率为1.2Gb/s 的经典数据与对其加密的量子密钥通过光波分解复用器（WDM ）进行的信道复用传输，其系统结构如2所示。

作为首次经典-量子信道复用技术实践，实验通过量子信道与经典信道的波长隔离，有效减少了自发喇曼散射噪声。然而，限于当时的QKD 收发技术和实验设备精度，该系统误码率较高，以致于不能产生保证通信安全的量子密钥，但其证明了经典-量子信道复用技术的可行性，并提出了波长隔离的滤除噪声方法，为今后的研究指出了方向。

2005年，美国电信科学实验室（Laboratory for Telecommunications Sciences ）的N.I.Nweke 等人在Los Alamos 国家实验室（LANL ）研发的基于B92协议相位编码量子密钥分发系统[12]基础上，与WDM 系统结合，

搭建了QKD+WDM 传输系统[13]，其原理如图3所示。

该QKD+WDM 系统利用波长隔离和窄带滤波的方法对光纤中的喇曼散射噪声进一步抑制，对信道串扰噪声也进行了一定程度的隔离，将QKD 与经典信息实现了具有实际意义的同光纤传输。但其密钥发送速率仅有70b/s ，通信距离仅有为10km 。

2009年，美国卓讯科技公司（Telcordia Technolo -gies ）同样在LANL 的基于B92协议相位编码量子密钥分发系统上，再次对长距离经典-量子信道复用系统进行实验[14]。与美国电信科学实验室的QKD+WDM 系统不同的是，该实验的WDM 系统采用低损耗两级薄膜波分解复用器，总插入损耗约为2.4dB ，通信距离

增加到25km ，最终安全密钥发送速率为6b/s

。

图1经典-量子信道复用系统

图2首次经典-量子信道复用实验系统结构图

图3QKD+WDM

系统结构图

总结上述实验，可知较远波长隔离方案可以有效抑制信道复用系统中的自发喇曼散射噪声，并且对于信道串扰噪声也可通过较高隔离度的波分解复用设备有效滤除，达到复用要求精度。但是，该方案的密钥发送速率随通信距离的增加下降较快，25km 以上的通信距离几乎不能生成安全密钥，其原因是O 波段传输损耗较大，而QKD 系统又对误码率有着较高要求，导致QKD 在O 波段不能传输较长距离。因此，该类方法虽然在抑制自发喇曼散射噪声方面具有优势，但是其通信距离受到很大限制。

2.2同波段传输方案

由于较远波长隔离方案存在着传输距离的限制，

QKD 与经典数据在C 波段同传的方案逐渐受到重视。

该方案主要通过频带滤波与设置时间门限，并采用更高精度的噪声隔离设备来抑制自发喇曼散射噪声和信道串扰噪声的影响。近年来，该方案研究逐步增多，不断有新的纪录诞生。

2005年，美国世界通信公司（MCI ）和量子科技公司

（MagiQ ）的Lee 与Wellbrock 等人首次使用一个QKD 商用系统实现10Gb/s 的经典数据与QKD 在C 波段同传，量子信道和经典信道均采用标准国际电信联盟（I -

TU ）标准[15]，其系统结构如图4。

该实验系统初步实现了QKD 与经典数据同波段传输，但由于其未采用有效滤除噪声方法，导致系统整体误码率很高，不能生成安全密钥。作为同波段传输方案的首次实验尝试，对噪声的量化分析为今后的方案改进提供了一定实践基础。

2009年，瑞士日内瓦大学的Gisin Nicolas 小组提

出了QKD 与经典数据采用密集波分复用（DWDM ）在

C 波段同传的实验方案[16]。该实验采用了较低内在噪声的QK

D 系统、高精度的噪声隔离设备，通信协议采

用了密钥生成效率较高的SARG 协议，将窄带滤波器的带宽更是降低到了45pm ，实现了50km 传输距离上

11b/s 的安全密钥发送速率。不仅如此，该实验还首次

将QKD 为经典数据加密过程在信道复用系统中同步实现，为经典-量子信道复用技术的实际应用提供了重要支撑。

2012年，英国剑桥大学东芝研究室的A.J.Shields 团队提出了一种利用时域滤波对抗自发喇曼散射噪声干扰的经典-量子信道复用技术方案[17]，其实

验系统结构如图5所示。

该系统在90km 的通信距离上密钥发送速率为

7.6kb/s ，当通信距离降低到50km 时，该数值可以达到507kb/s ，系统性能较以往有很大程度的提升。在高隔离度的CWDM 和窄带滤波器应用的基础上，其主要原

因是时域滤波技术的采用。由于自发喇曼散射光子到达单光子探测器的时间具有随机特性，而单光子发射频率已定，因此时域滤波可有效滤除大部分噪声光子。本实验中，时域滤波100ps 的时间门限有效地将量子信道信噪比提高了10倍，由此系统误码率大幅度降低。

总结上述实验，可得同波段传输方案在通信距离得到进一步提升的情况下，较前方案有着更高的密钥发送速率。这是因为随着滤波技术的进一步提高和仪

器精度的大幅提升，自发喇曼散射噪声的影响逐步减小，而光纤在不同波段上的传输损耗基本是已定的。因此，光纤传输损耗逐渐代替自发喇曼散射噪声成为主要的误码产生源。在此基础上，经典-量子信道复用的同波段传输方案在长距离通信中更具优势。

3经典-量子信道复用技术展望

近年来，经典-量子信道复用技术进一步成熟，不断有突破性成果产生，其有望在以下几个方面得到进一步发展。

①采用较远波长隔离方案实现短距离高速保密

通信。前文分析到，较远波长隔离方案可以更有效地

图5 A.J.Shields 团队实验系统结构图

图4MCI 与MagiQ

公司实验系统结构图

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抑制噪声，而在短距离传输中，光纤传输损耗并不能成为主要的误码来源。因此，进一步采用高精度的设备和滤波技术，有望在短距离完成高速QKD 与经典数据同传，为量子密钥通信城域网建设打下基础。

②采用同波段传输方案实现中长距离保密通信。

目前同波段传输方案已经具有一定的抗噪声能力，下一步工作应致力于进一步降低噪声影响并控制设备成本，使其在低传输损耗方面的优势可以在中长距离的量子密钥通信中发挥作用，并在未来有望作为量子密钥广域网建设的关键技术。

③结合现有光网络体制，应用经典-量子信道复

用技术实现量子密钥通信网络。经典-量子信道复用技术的研发旨在加速量子通信网络的建设，因此以复用技术为工具，实现QKD 融入光通信网络是其终期目标。该方向应着眼于当前光网络体制，并重点对密集波分复用DWDM 光网络、IP/MPLS over DWDM 光网络、运营级以太网GE 及光传送网OTN 等新型光网络体制进行分析，建立QKD 与光网络体制结合的量子密钥通信网络。

4结束语

经典-量子信道复用技术是一项较为复杂的技术，虽然近年来已经产生了一定研究成果，仍有许多关键技术需要解决，在应用中还要考虑复用效率、频段选取和成本等多方面的因素。迄今为止，这项技术仍处于理论研究和实验室验证阶段，但其作为量子通信实用化的必由之路，必然是量子通信领域下一步的发展重点。参考文献：

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信道复用技术

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量子信息安全系统 1、量子密码学的起源与发展 利用量子现象（效应）对信息进行保密是1969年哥伦比亚大学的科学家S. Wiesner首先提出的[1]。当时，Wiesner写了一篇题为“共辄编码（conjugate coding）”的论文，在该文中，Wiesner提出了两个概念：量子钞票（quantum bank notes）和复用信道（multiplexing channel）。Wiesner的这篇论文开创了量子信息安全研究的先河，在密码学史上具有重要的意义。但遗憾的是这篇论文当时没能获准发表。 在一次偶然的谈话中，Wiesner向IBM公司的科学家C. H. Bennett提及他10年前的思想，引起Bennett的注意。在1979年举行的第20次IEEE计算机科学基础大会上，Bennett 与加拿大Montreal大学的密码学家G. Brasard讨论了Wiesner的思想。但最初他们没能正确理解Wiesner的思想，在1983年发表的论文中他们利用量子态储存来实现量子密码并提出了量子公钥算法体制，而长时间储存量子态在目前的实验上不能实现，因此他们的论文没引起人们的共识，甚至有人认为他们的想法是天方夜谭。不久他们意识到在量子密码中量子态的传输可能比量子态的储存更重要，于是在1984年重新考虑了量子密码，并开创性地提出了量子密钥分发的概念，并提出了国际上第一个量子密钥分发协议（BB84协议）[3]。从此，量子密码引起了国际密码学界和物理学界的高度重视。在以后的十多年的研究中，量子密码学获得了飞速发展。目前，量子密码也引起了非学术界的有关部门（如军方、政府）等的注意。 2、量子密码的基本理论 2.1量子密码信息理论基础 密码学的发展经历了三千多年的历史，但直到升到科学的体系，成为一门真正的学科，因此，信息论是密码学的基础。事实上，在密码学中，信息理论是与安全性联系在一起的，Shannon信息论包括信息安全和计算安全。量子密码的安全属于信息安全，因此量子密码应建立在信息论的基础上。值得指出的是，量子密码的实现是以量子物理学为基础的，而S hannon信息论对应经典物理学。众所周知，量子物理学和经典物理学依赖于不同的法则，因此量子信息论不能简单地套用Shannon信息论，必须在Shannon信息论的基础上建立新的理论体系。 文献[5]从信息的角度提出了适合非正交量子态信道的信息理论，但他们的理论只能解释BB84协议以及改进版。文献[6]研究了量子相干性与量子保密性的关系。文献[7]做了较

纳米材料与技术在水处理中的应用

第1期纳米技术是指在0．1～100nm 尺度范围内，研究电子、原子核分子的内在规律和特征，并用于制造各种物质的一门新学科［1］。自20世纪90年代以来，纳米技术发展迅猛并在陶瓷、催化、生物、医药等方面取得巨大成就并影响渗透到各个领域。纳米技术在环境保护方面中的应用起步较晚，但却为人类治理环境开辟了一条行之有效的新途径。随着社会经济的发展，目前世界水污染问题日趋严重，水处理问题也变得越来越严峻。我国污水治理工艺诞生至今，经历了物理法、化学法、生物法和物理化学方法。但上述传统的污水处理方法效率低、成本高并且有的存在二次污染，使得污水治理一直得不到很好的解决。纳米技术的出现及其在水处理中的研究发展，使得水处理技术取得了较大的突破，有望彻底解决传统水处理技术存在的难题。本文将从纳滤膜技术、纳米光催化技术、纳米还原性材料及纳米吸附性材料等4个方面介绍纳米材料与技术在水处理中的应用。 1纳米材料及其特征 纳米材料又称超微颗粒材料，是指构成材料 的结构单元的尺度是纳米尺度。纳米材料一般分为纳米颗粒、纳米薄膜和纳米固体。当材料尺寸进入纳米级时，会产生许多传统固体所不具备的性能，主要包括表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。另外，由于尺寸很小，纳米材料通常拥有很大的比表面积，表面原子配位的不饱和性会导致大量的悬键和不饱和键，使纳 米材料具有很高的化学活性。这些特殊性使纳米材料在机械性能、磁、光、热、电等方面与普通材料有很大的不同，具有辐射、吸收、催化、吸附等新的特性。目前用于水处理的纳米材料主要可以分为 4种：纳滤膜材料、光催化材料、纳米还原性材料 及纳米吸附性材料［2］。 2 纳米技术在水处理中的应用 2．1 纳滤膜技术 纳滤膜是介于反渗透和超滤之间的一种压 力驱动膜，孔径范围介于1～5nm 。纳滤的特点是：（1）在过滤分离过程中，它能截留小分子的有机物并可同时透析出盐。（2）操作压力低。因为无机盐能通过纳滤膜而透析，使得纳滤膜的渗透压远比反渗透低。R．Rautenbach 等人把纳滤膜的应用归纳为以下3种场合［3］：（1）对单价盐并不要求有很高的截留率；（2）欲实现不同价态的离子的分离；（3）欲实现高相分子质量与低相分子质量有机物的分离。饮用水的软化和有机物的脱除是纳滤膜最大的应用领域。目前纳滤膜法软化水在美国已经很普遍，已替代常规的石灰软化和离子交换过程。除此应用外，纳滤膜在海水及苦咸水的淡化、受污染地下水的处理、含金属废水的处理以及工业废水的处理效果比较理想［4］。 纳滤膜的研究始于20世纪70年代，早期的纳滤膜研究主要聚焦于有机膜，如醋酸纤维膜，磺化聚砜膜，磺化聚醚砜膜，聚酰胺膜和聚乙烯醇膜等。但是有机膜的耐溶剂、耐腐蚀、耐温度性都很差。无机纳滤膜具有良好的生物和化学稳定 纳米材料与技术在水处理中的应用 杨召营1，李晓静2 （1．山东华鲁恒升化工股份有限公司，山东德州253024；2．海军工程大学天津校区，天津300450）摘 要：从纳滤膜技术、纳米光催化技术、纳米还原性材料及纳米吸附性材料等四个方面介绍了纳米材 料与技术在水处理中的应用，并对发展前景进行了展望。 关键词：纳滤膜材料；纳米光催化材料；纳米还原性材料；纳米吸附性材料；水处理中图分类号：TQ 085 文献标识码：A 文章编号：1671-9905（2012）01-0023-03 收稿日期：2011-10-13 第41卷第1期2012年1月 化工技术与开发 Technology &Development of Chemical Industry Vol.41No.1 Jan.2012

8种电化学水处理方法

8种电化学水处理方法 电化学水处理- 世间万物，都是有一利就有一弊。社会的进步和人们生活水平的提高，也不可避免地对环境产生污染。废水就是其中之一。随着石化、印染、造纸、农药、医药卫生、冶金、食品等行业的迅速发展，世界各国的废水排放总量急剧增加，且由于废水中含有较多的高浓度、高毒性、高盐度、高色度的成分，使其难以降解和处理，往往会造成非常严重的水环境污染。 为了处理每天大量排出的工业废水，人们也是蛮拼的。物、化、生齐用，力、声、光、电、磁结合。今天笔者为您总结用电’ 来处理废水的电化学水处理技术。 电化学水处理技术，是指在电极或外加电场的作用下，在特定的电化学反应器内，通过一定的化学反应、电化学过程或物理过程，对废水中的污染物进行降解的过程。电化学系统设备相对简单，占地面积小，操作维护费用较低，能有效避免二次污染，而且反应可控程度高，便于实现工业自动化，被称为环境友好’ 技术。 电化学水处理的发展历程 1799 年 Valta制成Cu-Zn原电池，这是世界上第一个将化学能转化为电能的化学电源 1833 年 建立电流和化学反应关系的法拉第定律。 19世纪70年代 Helmholtz提出双电层概念。任何两个不同的物相接触都会在两相间产生电势，这是因电荷分离引起的。两相各有过剩的电荷，电量相等，正负号相反，相互吸引，形成双电层。 1887 年 Arrhenius提出电离学说。 1889 年 Nernst提出电极电位与电极反应组分浓度关系的能斯特方程。 1903 年 Morse 和Pierce 把两根电极分别置于透析袋内部和外部溶液中，发现带电杂质能迅速地从凝胶中除去。 1905年 提出Tafel 公式，揭示电流密度和氢过电位之间的关系。 1906年

信道复用技术[图解]

信道复用技术[图解] ?提出信道（多路）复用技术的基本原因 ?通信线路的架设费用较高，需要尽可能地充分使用每个信道的容量，尽可能不重复建设通信线路； ?一个物理信道（传输介质）所具有的通信容量往往大于单个通信过程所需要的容量要求，如果一个物理信道仅仅为一个通信过程服务，必然会造成信道容量资源的浪费。 ?信道（多路）复用技术实现的基本原理 把一个物理信道按一定的机制划分为多个互不干扰互不影响的逻辑信道，每个逻辑信道各自为一个通信过程服务，每个逻辑信道均占用物理信道的一部分通信容量。 ?实现信道多路复用技术的关键 ?发送端如何把多个不同通信过程的数据（信号）合成在一起送到信道上一并传输 ?接收端如何把从信道上收到的复合信号中分离出属于不同通信过程的信号（数据） ?实现多路复用技术的核心设备 ?多路复用器（Multiplexer）：在发送端根据某种约定的规则把多个低速（低带宽）的信号合成一个高速（高带宽）的信号； ?多路分配器（Demultiplexer）：在接收端根据同一规划把高速信号分解成多个低速信号。 多路复用器和多路分配器统称为多路器（MUX）：在半双工和全双工通信系统中，参与多路复用的通信设备通过一定的接口连接到多路器上，利用多路器中的复用器和分配器实现数据的发送和接收。 信道复用技术的类型：

FDM技术： ?频分多路复用（FDM：Frequency Division Multiplexing）技术的适用领域 ?采用频带传输技术的模拟通信系统，如：广播电视系统、有线电视系统、载波电话通信系统等； ?FDM技术的基本原理 ?把物理信道的整个带宽按一定的原则划分为多个子频带，每个子频带用作一个逻辑信道传输一路数据信号，为避免相邻子频带之间的相互串扰影响，一般在两个相邻的子频带之间流出一部分空白频带（保护频带）；每个子频带的中心频率用作载波频率，使用一定的调制技术把需要传输的信号调制到指定的子频带载波中，再把所有调制过的信号合成在一起进行传输。 接收端各路信号的区分：依赖于载波中心频率。 TDM技术： ?时分多路复用（TDM：Time Division Multiplexing）技术的适用领域 ?采用基带传输的数字通信系统，如计算机网络系统、现代移动通信系统等； ?TDM技术的基本原理 ?由于基带传输系统采用串行传输的方法传输数字信号，不能在带宽上划分。 ?TDM技术在信道使用时间上进行划分，按一定原则把信道连续使用时间划分为一个个很小的时间片，把各个时间片分配给不同的通信过程使用； 由于时间片的划分一般较短暂，可以想象成把整个物理信道划分成了多个逻辑信道交给各个不同的通信过程来使用，相互之间没有任何影响，相邻时间片之间没有重叠，一般也无须隔离，信道利用率更高。

量子加密技术

量子加密技术 摘要 自从BB84量子密钥分配协议提出以来,量子加密技术得到了迅速发展,以加密技术为基础的量子信息安全技术也得到了快速发展。为了更全面地、系统地了解量子信息安全技术当前的发展状况和以后发展的趋势,文中通过资料查新,以量子加密技术为基础,阐述了量子密钥分配协议及其实现、量子身份认证和量子数字签名、量子比特承诺等多种基于量子特性的信息安全技术的新发展和新动向。 关键词:信息安全;量子态;量子加密;量子信息安全技术

一、绪论 21世纪是信息技术高速进步的时代，而互联网技术为我们带来便捷和海量信息服务的同时，由于我们过多的依赖网络去工作和生活，网络通信、电子商务、电子金融等等大量敏感信息通过网络去传播。为了保护个人信息的安全性，防止被盗和篡改，信息加密成为解决问题的关键。那么是否有绝对可靠的加密方法，保证信息的安全呢？ 随着社会信息化的迅猛发展，信息安全问题日益受到世界各国的广泛关注。密码作为信息安全的重要支撑而备受重视，各国都在努力寻找和建立绝对安全的密码体系。而量子信息尤其是量子计算研究的迅速发展，使现代密码学的安全性受到了越来越多的挑战。与现代密码学不同的是，量子密码在安全性和管理技术方面都具有独特的优势。因此，量子密码受到世界密码领域的高度关注，并成为许多发达国家优先支持的重大课题。 二、量子加密技术的相关理论 1、量子加密技术的起源 美国科学家Wiesner首先将量子物理用于密码学的研究之中，他于 1969 年提出可利用单量子态制造不可伪造的“电子钞票”。1984 年，Bennett 和Brassard 提出利用单光子偏振态实现第一个 QKD（量子密钥分发）协议—BB84 方案。1992年，Bennett 又提出 B92 方案。2005 年美国国防部高级研究计划署已引入基于量子通信编码的无线连接网络，包括 BBN 办公室、哈佛大学、波士顿大学等 10个网络节点。2006 年三菱电机、NEC、东京大学生产技术研究所报道了利用 2个不同的量子加密通信系统开发出一种新型网络，并公开进行加密文件的传输演示。在确保量子加密安全性的条件下，将密钥传输距离延长到200km。 2、量子加密技术的概念及原理 量子密码，是以物理学基本定律作为安全模式，而非传统的数学演算法则或者计算技巧所提供的一种密钥分发方式，量子密码的核心任务是分发安全的密钥，建立安全的密码通信体制，进行安全通讯。量子密码术并不用于传输密文,而是用于建立、传输密码本。量子密码系统基于如下基本原理:量子互补原理(或称量子不确定原理),量子不可克隆和不可擦除原理,从而保证了量子密码系统的不可破译性。 3、基于单光子技术（即BB84协议）的量子密码方案主要过程: a)发送方生成一系列光子,这些光子都被随机编码为四个偏振方向; b)接收方对接收到的光子进行偏振测量; c)接收方在公开信道上公布每次测量基的类型及没测量到任何信号的事件序列,但不公布每次有效测量事件中所测到的具体结果; d)如果没有窃听干扰,则双方各自经典二进制数据系列应相同。如果有窃听行为,因而将至少导致发送方和接收方有一半的二进制数据不相符合,得知信息有泄露。 4、量子密码系统的安全性。 在单光子密码系统中,通讯密钥是编码在单光子上的,并且通过量子相干信道传送的。因此任何受经典物理规律支配的密码分析者不可能施行在经典密码系统中常采用的攻击方法:

量子能量水

量子水是高能量健康饮用水的别称，是完全符合世界卫生组织标准的健康饮用水。在全球健康饮用水严重不足，仅有0.009%的居民能喝到真正天然健康水的今天，通过量子水处理技术获得的健康量子水已经成为人们优化体质，增加免疫力，延长寿命所必须的健康水。 定义：量子水是含有活性正能量的健康饮用水，也可称为高能量健康水，量子水必须具备七个基础条件：1、安全卫生；2、水硬度在30－200间；3、含有矿物质；4、弱碱性；5、含氧高；6、小分子团；7、具营养生理功能。 参数： 性状：无色、无味的液体 沸点：90-95℃（海拔为0m，气压为一个标准大气压时）。 凝固点：- 7 0℃ 化学式：H?O 结构式：H—O—H（两氢氧间夹角104.5°）。 软硬度：30－200间 矿物质：富含活性矿物质 酸碱度：PH值呈弱碱性7.45－8 分子团：超小分子团，一般为三个水分子 特性： 一、量子水完全符合世界卫生组织健康水标准： 1.安全卫生：不含任何对人体有毒有害及有异味的物质。 2.软硬适中：水的硬度介于30－200（以碳酸钙计）之间。 3.活化矿物质：人体所需的矿物质含量适中，且小分子易吸收。 4.弱碱性：PH值呈弱碱性7.45－8。 5.含氧高：水中溶解氧不低于每升7毫升及二氧化碳适度。 6.小分子团：仅由三个水分子组成，半幅宽小于100赫兹，且充满活力。 7.营养生理功能：具有溶解力、渗透力、扩散力、代谢力、乳化力、洗净力等。 二、量子水水十大独有功能 1，活化水呼吸，增加水活性，渗透力更强； 2，微量元素激活，增加水的营养性； 3，重金属惰化，分离净化，更纯净；

4，抗氧化，增强人体抗病能力； 5，抗酸化，净化体液环境； 6，抗糖化，有效缓解糖尿病； 7，溶脂，减少脂肪堆积及血液粘稠； 8，降解农药、毒素残留，清理体内毒素垃圾； 9、解除烟毒酒毒，减少烟酒伤害； 10、除去水中氯残留，水质更健康。 对人体的作用 1、量子水能够运载营养进入体内，补充人体所需营养素。 2、量子水分子量极小，能够进入任何细胞，帮助排除身体垃圾。 3、量子水能够承载大量健康能量和信息，促进身体新陈代谢。 4、量子水能够贮存大量健康能量和信息，持续作用于身体，改变体质。 喝量子水对健康的改变 1、提升细胞水分和营养，提高免疫力，预防疾病 2、促进肠细胞活力，加速蠕动，消除宿便，告别便秘 3、促进药吸收和药残渣排出，减少药物服用量，消除继发性失效 4、消除烟毒酒毒对肝肺造成的伤害，减少宿醉、咳嗽 5、促进孩子智力、体力发育，让孩子长得快、身体好，越变越聪明 6、使女性肌肤莹润，内用外用相结合，焕发青春光彩 7、健康长寿，好水让体质变好，长期饮用量子水可以延长寿命10—20年 如何获得量子水 毋庸置疑，找们都想喝对身体有益的量子水。但是，哪里去找真正的量子水呢？大致有以下三个途径： 1、大山深处无人区的泉水 火山深处处于原始状态，水生态环境未受到污染，冰川上的雪水、天上落下来的雨水、植被根系渗出的水被太阳、磁场和大地“量子化”后，变成了量子水。这些泉水几乎不需任何处理便可饮用，且甘甜可口，回味悠长。 2、良好自然环境和水生态地区的地下水 良好自然环境和水生态就是自然环境没有受到任何污染，水的循环、流转天然有序的状态。地表未经污染的雨水、雪水等一方面直接渗入地下，在渗透过程中，土壤、岩石在过滤净化的同时，其中的矿物质溶解于水中；另一方面，水源通过植被净化、利

量子信息

在量子力学中，量子信息(quantum information)是关于量子系统“状态”所带有的物理信息。通过量子系统的各种相干特性(如量子并行、量子纠缠和量子不可克隆等)，进行计算、编码和信息传输的全新信息方式。 量子信息最常见的单位是为量子比特(qubit)——也就是一个只有两个状态的量子系统。然而不同于经典数位状态（其为离散），一个二状态量子系统实际上可以在任何时间为两个状态的叠加态，这两状态也可以是本征态。 而量子信息学(quantum information science或quantum informatics)则是研究这方面问题的学门，简要来说是量子力学和信息学的交叉，主领域包括有： ■量子计算的抽象推演，以及量子计算机(量子电脑)方面的物理系统实践。 ■量子通信。 ■量子密码学。 根据摩尔（Moore）定律，每十八个月计算机微处理器的速度就增长一倍，其中单位面积（或体积）上集成的元件数目会相应地增加。可以预见，在不久的将来，芯片元件就会达到它能以经典方式工作的极限尺度。因此，突破这种尺度极限是当代信息科学所面临的一个重大科学问题。量子信息的研究就是充分利用量子物理基本原理的研究成果，发挥量子相干特性的强大作用，探索以全新的方式进行计算、编码和信息传输的可能性，为突破芯片极限提供新概念、新思路和新途径。量子力学与信息科学结合,不仅充分显示了学科交叉的重要性, 而且量子信息的最终物理实现, 会导致信息科学观念和模式的重大变革。事实上，传统计算机也是量子力学的产物，它的器件也利用了诸如量子隧道现象等量子效应。但仅仅应用量子器件的信息技术，并不等于是现在所说的量子信息。目前的量子信息主要是基于量子力学的相干特征，重构密码、计算和通讯的基本原理。 量子计算(quantum computation) 的概念最早由IBM的科学家R. Landauer及C. Bennett于70年代提出。他们主要探讨的是计算过程中诸如自由能(free energy)、信息(informations)与可逆性(reversibility)之间的关系。80年代初期，阿岗国家实验室的P. Benioff首先提出二能阶的量子系统可以用来仿真数字计算；稍后费因曼也对这个问题产生兴趣而着手研究，并在1981年于麻省理工学院举行的First Conference on Physics of Computation中给了一场演讲，勾勒出以量子现象实现计算的愿景。1985年，牛津大学的 D. Deutsch提出量子图林机(quantum Turing machine)的概念，量子计算才开始具备了数学的基本型式。然而上述的量子计算研究多半局限于探讨计算的物理本质，还停留在相当抽象的层次，尚未进一步跨入发展算法的阶段。 1994年，贝尔实验室的应用数学家P. Shor指出[3]，相对于传统电子计算器，利用量子计算可以在更短的时间内将一个很大的整数分解成质因子的乘积。这个结论开启量子计算的一个新阶段：有别于传统计算法则的量子算法(quantum algorithm)确实有其实用性，绝非科学

量子通信技术基于量子物理学的基本原理

关键词:量子通信安全性中国发展 摘要:用国际顶级量子专家王肇中教授的话说，量子通信就是单模光纤两端加上能代替常用光模块功能的、光量子态的发送和接收设备，实现基于物理加密的保密通信。 量子通信技术基于量子物理学的基本原理，克服了经典加密技术内在的安全隐患，是迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式。为了拓展应用、与现有通信系统兼容以及大量减少成本，需对点对点的通信方式进行组网并充分利用经典通信设施。与此同时，量子克隆技术的出现也使得我们开始重新审视量子通信的安全性问题。量子通信是相对最安全的，但任何事情都不是绝对的，有矛就有盾。一方面有“量子非克隆原理”，另一方面有实现近似量子克隆的“量子克隆机”。怎样可靠地评估安全性？怎样进行攻击？是值得研讨的问题。在不久的将来，量子通信与经典通信的融合发展将会带来通信世界的新纪元。 例如一个量子态可以同时表示0和1两个数字，7个这样的量子态就可以同时表示128个状态或128个数字：0~127。光量子通信的这样一次传输，就相当于经典通信方式的128次。可以想象如果传输带宽是64位或者更高，那么效率之差将是惊人的2，以及更高。 1. 欧洲联合了来自12个欧盟国家的41个伙伴小组成立了SECOQC量子通信网络[8][9]。并于2008年10月在维也纳现场演示了一个基于商业网络的安全量子通信系统。该系统集成了多种量子密码手段，包含6个节点。其组网方式为在每个节点使用多个不同类型量子密钥分发的收发系统并利用可信中继进行联网。 息量子通信验证网”在北京开通，在世界上首次将量子通信技术应用于金融信息安全传输。 2014年11月15日，团队研发的远程量子密钥分发系统的安全距离扩展至200公里，刷新世界纪录。 2. 应用与用途 潘建伟教授指出，量子通信技术的实际应用将分三步走：一是通过光纤实现城域量子通信网络；二是通过量子中继器实现城际量子通信网络；三是通过卫星中转实现可覆盖全球的广域量子通信网络。 对市场角度来说，互联网本质上是一个不安全的网络，而量子通信在理论上的绝对保密特征，已经得到物理定理的证明，很显然在军事、国防、金融等领域有着广阔的应用前景。在大众商业市场，随着技术成熟，量子通信也将具有极大的发展潜力。 3.量子通信技术的发展趋势 4.不足 但量子通信本身，仍然处在研究阶段，还远远没有达到大规模商用化的水平，实用的量子通信网络其保密的绝对性还有待商榷。 量子通信面临四项难点：可扩展、强抗毁、广覆盖、立体化 子密钥分发在未来推广应用方面面临两大挑战：融合性和安全性。量子通信从量子力学的

信道复用技术论文

信道复用技术 学号：201305050059 班级：电子信息工程姓名：郭保占摘要: “复用”是一种将若干个彼此独立的信号，合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。信道复用是通信技术中的基本概念。在计算机网络中的信道广泛地使用各种复用技术。 Abstract: the "reuse" is a plurality of independent signal with a simultaneous transmissions on the same channel can be a composite signal. Channel multiplexing is communication technology in the basic concept. In computer network channel widely used various multiplexing technology. 关键词：信道复用技术 简介：信道复用技术分为频分复用，时分复用，波分复用，码分复用，空分复用，统计复用，极化波复用。 一、发展背景： 由于科技的迅速发展。如电话、电视网之间的信号传输最初是通过模拟信号来传输的,而后出现的计算机网络间的信号传输则依赖于数字信号。由于电话、电视网已经发展到了相当大的规模,如何利用模拟信号传输数字信号信息,使得语音、图像和计算机网络数据信号在同一个网络上传输,就成为通信界自然而然研究的方向。而信道复用技术就是从不同角度来解决这个问题的一种尝试。近几十年来，无线通信经历了从模拟到数字，从固定到移动的重大变革。而就移动通信而言，为了更有效地利用有限的无线频率资源，时分多址技术（TDMA）、频分多址技术（FDMA）、码分多址技术（CDMA）得到了广泛的应用，并在此基础上建立了GSM和CDMA（是区别于3G的窄带CDMA）两大主要的移动通信网络。由于通信工程中用于通信线路架设的费用相当高，需要充分利用通信线路的容量；再者网络中传输介质的传输容量都会超过单一信道传输的通信量，为了充分利用传输介质的带宽，需要在一条物理线路上建立多条通信信道。 二、信道复用技术的原理： 当一条物理信道的传输能力高于一路信号的需求时，该信道就可以被多路信号共享，列如在我们日常生活中的电话系统通常有数千路信号在一根光纤中传输。复用就是解决如何利用这一条信道同时传输多路信号的技术。其目的是为了充分的利用信道的频带或时间资源，提高信道的利用率。当然，复用要付出一定的代价（共享信道由于带宽较大因而费用也比较高，再加上复用器和分用器。）但是如果复用的信道数量较大，那么这种方法还是比较可行的。 三、信道的复用技术常用的大概有以下几种： 1、频分复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带（或称子信道），每一个子信道传输1路信号。频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和，同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，应在各子信道之间设立隔离带，这样就保证了各路信号互不干扰（条件之一）。频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑传输时延，因而频分复用技术取得了非常广泛的应用。频分复用技术除传统意义上的频分复用（FDM）外，还有一种是正交频分复用（OFDM）。 2、时分复用（TDM，Time Division Multiplexing）就是将提供给整个信道传输信息的时间划分成若干时间片（简称时隙），并将这些时隙分配给每一个信号源使用，每一路信号在自己的时隙内独占信道进行数据传输。时分复用技术的特点是时隙事先规划分配好且固定不变，所以有时也叫同步时分复用。其优点是时隙分配固定，便于调节控制，适于数字信息的传输；缺点是当某信号源没有数据传输时，它所对应的信道会出现空闲，而其他繁忙的信道

量子计算机技术发展对信息安全技术带来的影响研究汇报

量子计算机技术发展对信息安全技术带来的影响研究汇报 1、量子计算机技术的发展将会给信息安全技术带来颠覆性的影响。 a 、量子计算机运算速度比经典计算机快，而且相差的是指数级别。 量子计算机与经典计算机的不同之处在于：经典计算机每输入一个数据位(比特)，都是确切的二进制0或者二进制1。而量子计算机每输入一个数据位(量子比特)，却是二进制0和1的叠加态，记为a|0>+b|1>。这相当于可以这样理解，在只有一个数据位的情况下，每进行一次操作，经典计算机只进行了一次运算，而量子计算机进行了两次运算；以此类推，在有两个数据位的情况下，每进行一次操作，经典计算机只进行了2次运算，而量子计算机进行了次运算；而在在有三个数据位的情况下，每进行一次操作，经典计算机只进行了3次运算，而量子计算机进行了次运算。由此可见，在同样的操作次数和相同的数据位数情况下，量子计算机的运算次数等同于经典计算机的指数倍。 b 、目前计算机通信的安全体系主要依赖的加密解密算法在理论上可 以被量子计算机所破解。 计算机通信在技术层面的安全体系主要依赖于加密解密算法，典型的加密解密算法有RSA ，AES 等等。它们的原理是基于大数分解质因数比较困难这一事实为基础。就是说，在经典计算机的条件下，要把大数分解为质因数，花费时间较长，即使分解出来了，也没有了时效性，因此等同于不能分解。而量子计算机的运算速度等同于经典计算机的指数倍，用量子计算机来分解大数的质因2232

数在很短的时间内就可以实现。 2、量子计算机实现后的计算机通信安全体系重构的预测。 量子计算机采用特定的算法(shor算法)虽然能够破解当前所有的加密解密算法，但是，基于量子力学的量子通信技术所依赖的物理学原理，却可以抵御住量子计算机的破解。正所谓以己之矛攻己之盾。 举个典型的例子说明，基于量子纠缠的量子密钥分发，能实现一次一密的完全随机的密钥分发。而在密码学基本原理中，一次一密的完全随机的密钥分发是是任何算法都不能破解的。因此，基于量子纠缠的量子密钥分发，即使在真正通用的量子计算机出来后，也是可以抵御它的破解的。 并且，基于量子力学的通信技术，例如E91协议，BB84协议，量子隐形传态等通信技术，可以让窃听者无法窃听信息(根据量子力学物理学原理，一旦有人窃听信息，接收方就会收到乱码，从而识别出有人在窃听信息)。从而保证通信的安全。

量子通信中的信息安全技术及比较

量子通信中的信息安全技术及比较 量子通信是近二十年发展起来的新型交叉学 科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。它主要是利用量子纠缠效应进行信息传 递，其研究主要涉及量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等等。而量子通信安全性是将保密通信建立在量子客观规律基础上的，是一个具有重要意义的研究课 题。 随着对数学难题求解的经典算法和量子算法的深入研 究,基于数学上计算复杂性的经典 安全通信面临着严峻的挑战。而经典计算机技术的飞速发展和量子计算机的实验进 展，导致 破译数学密码的难度逐渐降 低。与量子通信安全性相比，目前经典密码体制面临三个方面 的 威胁。首先，经典密码体制安全性是建立在没有严格证明的数学难题之 上。数学难题的突破必将给经典密码算法带来毁灭性打 击。其次，计算机科学的飞速发展导致其计算能力的快速 提高，始终冲击着经典密码。再次，量子计算理论的发展使得数学难题具有量子可解性。 在 1994年Shor提出了多项式时间内求解大数因子和离散对数的量子算法使得目前常用的基于 大数分解困难性提出的RSA公钥密码体制和ELGamal公钥密码体制受到极大威 胁。1998年， Grove提出了量子搜索算法，即在N个记录的无序数据库中搜索记录的时间复杂度为 对N开 平方根，可以提高量子计算机利用蛮力攻击方法破解经典密码的效率，使得经典密码体制 受 到威胁。仅仅因为量子计算机的应用仍处于初级阶 段，量子计算理论成果目前还没有影响经典密码体制系统的使用。但以量子力学为基础发展的安全通信是不可能被攻破的，它以量子力学为基础，利用系统所具有的量子性质，使得“一次一密”密码真正能应用于实际。量子 密码学的安全性是由“海森堡测不准原理”，或量子相干性以及“单量子不可克隆定理” 来 保证的，具有可证明的无条件安全性和对窃取者的可检测 性，完全可以对抗以量子计算机为 工具的密码破译。从而保证了密码本的绝对安全，也保证了加密信息的绝对安 全，故以量子 为载体的通信，具有以往经典通信所没有的安全优 势。 谈到量子安全通信就不得不介绍一下量子密码学。量子密码学的思想最早是由美 国人 S.Wiesner在1969年提出。后来 IBM的S.H.Bennett和Montreal大学的G.Brassard在此基础 上提出了量子密码学的概念，并于1984年提出了第一个量子密钥分发协议，简称议。1991年Ekert依据量子缠绕态而提出了一种基于EPR关联光子对的E91协议，BB84 1992 协 年 Bennet t 又进一步提出 了 B92量子密码协议。 一、量子密码保密通信的物理原理： 1、互补性以及测不准原理：在量子力学中具有互补性的两组物理量是指在进行观测时，对

循环水系统除垢技术方法解析

目前循环水结垢问题也是企业所关注想解决的，除垢技术也是多样化的，以下对于一些常见的除垢技术用设备做一下解析如下： 1、高频电子除垢仪除垢 这种方法在安装时需要切割管道，且电极容易粘附水中的悬浮物造成系统失灵。安装烦锁，工程量大。现在出现新一种防垢产品量子环，用其产生的频率和水中矿物质离子的固有频率产生共振而使其提前析出，这种产品的除垢防垢效果不错。 2、软化水除垢 软化水具有比较可靠和具有显著效果的防垢特点，一般应用在在对水质要求以及供水连续性要求比较高的医院反渗透纯水系统、中yang空调循环冷却水中。缺点是需要增加设备，而且要定期补盐，增加了操作的复杂性，维护成本高。 3、永磁设备除垢 外观是一个一个圆环型的磁铁，然后套在直管道上，利用穿管路的磁场处理经过管道的水。多用于管道较大的场所，由于其磁场频率和强度固定，所以它适用的水质范围是比较窄，在某些特定水质条件下表现的比较好，但再换一种水质后或许就没有了效果。 4、添加阻垢剂 阻垢剂无法保证对人体有没有伤害，且需要添加专业的加药设备，对管道的水压有损害，同时每次加药需专人负责，增加了成本。 5、电子感应水处理器 原理是通过主机在水中产生一个频率强度都按一定规律变化的感应电磁场。该电磁场使水中的成垢离子结合成大量的文石晶核，当水中矿物质含量超过水的饱和溶解度时，成垢离子就会析出并优先生长在这些晶核上形成文石晶体，取代了方解石晶体的析出，而文石晶体呈松软絮状，很容易被水冲走。此方法安装简单，无须切割打孔，无须更换电极和保养，耗电量极小，是比较理想的解决方案。 常州沛德水处理设备有限公司成立于2004年，专注于循环水物理法水质优化处理的解决方案并研发生产了物理法除垢、杀菌、灭藻、缓蚀设备以及循环水处理的过滤设备，定压补水，真空气设备等相关设备，先后申报数十项专利，是知名的循环水系统物理法除垢、杀菌、灭藻、过滤解决方案的供应商，沛德先后已为秦山核电、红沿河核电、万达广场、可口可乐、雪花啤酒、等多家企业提供水垢解决方案及服务。

量子时代,信息安全的挑战与机遇

量子计算时代，信息安全的挑战与机遇 By *** 2010年7月 （武汉大学国际软件学院 2008级7班） 摘要：量子计算技术的发展对我们来说既是机遇，又是挑战。计算机的实用化只是时间问题，我们必须提前做好准备工作。本文简单介绍了量子计算的基本原理，发展现状及实现方案，展现出了其诱人的前景。同时也指出了对我们当前信息安全的挑战，并且提出了两种应对方案，一是从密码的算法方面入手，二是发展被称为最可靠通信技术的量子密码。 关键字：量子; 计算机; 信息安全; 密码 Abstract: The developing of quantum technology is an opportunity as well as challenge. The common quantum computer is on the way and we must do the preparation now. This paper gives a brief introduction to both the basic theory of quantum computation and the possible solutions for implementation of quantum computer, which shows the promising future of this field. At the same time, we point out the challenges witch it brings to present information system. There are two solutions for this challenge. The first one is to do research in algorithm of cryptography. Another solution is to develop quantum cryptography which is described as the most reliable communication technology. Key Words: Quantum; Computer; Information Safety; Cryptography