量子通信从上世纪80年代诞生第一个理论协议以来，已经形成了较为完善的理论基础、技术体系和发展生态，未来仍将进一步形成突破性进展，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
信息技术的不断发展，给人们的生活带来极大便利，同时也给传统信息安全带来了日益复杂和突出的问题。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，并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。更为重要的是，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，常常伴随战争的发展，也在很多时候决定着战争的走势。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绝对安全地加密信息。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，从而可实现理论上绝对安全的一次一密。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划分为量子密钥分发（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最为熟悉的，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研究中具有突出的理论优势，但是在实际应用研究中仍然存在安全性和可靠性等问题，所以窃听者总是能够抓住系统存在的任何漏洞，针对实际量子通信中的各种安全隐患进行攻击。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年代诞生的第一个协议以来，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。
前言量子通信系统设计与实现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。
中国航天科工集团的张国万、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同仁的大力支持，在此一并表示感谢！最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
2022年1月
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
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