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量子通信從上世紀(jì)80年代誕生第一個(gè)理論協(xié)議以來(lái)，已經(jīng)形成了較為完善的理論基礎(chǔ)、技術(shù)體系和發(fā)展生態(tài)，未來(lái)仍將進(jìn)一步形成突破性進(jìn)展，產(chǎn)生人們?nèi)粘Ｉ钪锌吹靡?jiàn)、摸得著的保密通信應(yīng)用。本書以發(fā)展的眼光看待通信技術(shù)，介紹一些傳統(tǒng)保密通信的困境，以及量子通信的重要意義和發(fā)展戰(zhàn)略，將量子通信的主要協(xié)議和方案擇重點(diǎn)進(jìn)行講解，并介紹量子通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)、部分攻擊和防御方案，以及量子通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)情況，以典型量子通信系統(tǒng)為例，概述了相關(guān)系統(tǒng)的構(gòu)建。本書可作為高等院校量子信息領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)低年級(jí)學(xué)生

信息技術(shù)的不斷發(fā)展，給人們的生活帶來(lái)極大便利，同時(shí)也給傳統(tǒng)信息安全帶來(lái)了日益復(fù)雜和突出的問(wèn)題。前沿信息技術(shù)應(yīng)用的不斷深化，將改變現(xiàn)有信息管理和系統(tǒng)應(yīng)用的模式，并可能使攻擊者采取更加多元的攻擊手段，從而導(dǎo)致人們對(duì)信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)安全、數(shù)據(jù)安全和信息內(nèi)容安全的擔(dān)憂日益增加。更為重要的是，信息安全不僅關(guān)系信息自身的安全，更對(duì)國(guó)家的政治、軍事、經(jīng)濟(jì)和文化等安全具有重大戰(zhàn)略價(jià)值。

保密通信作為信息安全的“骨灰級(jí)元老”，一直伴隨著人類的發(fā)展，自古至今都極具價(jià)值，常常伴隨戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)展，也在很多時(shí)候決定著戰(zhàn)爭(zhēng)的走勢(shì)。保密通信要達(dá)到的目的無(wú)非有兩個(gè)：其一是盡可能不被竊取；其二是即使被竊也不會(huì)被破解。而傳統(tǒng)的保密通信手段存在密鑰產(chǎn)生和密鑰分發(fā)兩個(gè)安全性問(wèn)題。尤其是在面臨新的加密破解方法和量子計(jì)算等不對(duì)等計(jì)算優(yōu)勢(shì)時(shí)，傳統(tǒng)保密通信或?qū)⑿瓮撛O(shè)。

克勞德·艾爾伍德·香農(nóng)在信息論中認(rèn)為：如果產(chǎn)生的密鑰沒(méi)有規(guī)律可言，并且只用一次，那么相同長(zhǎng)度的密鑰可以絕對(duì)安全地加密信息。怎么才能實(shí)現(xiàn)一次一密呢？量子通信給出了答案。量子通信基于量子力學(xué)基本原理，產(chǎn)生量子隨機(jī)密鑰，并利用量子信道實(shí)現(xiàn)密鑰分發(fā)，從而可實(shí)現(xiàn)理論上絕對(duì)安全的一次一密。隨著信息安全產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，量子通信的重要價(jià)值不言而喻，世界各國(guó)從政府部門到研究機(jī)構(gòu)，都給予其非同一般的關(guān)注：政府部門出臺(tái)政策支持，科研機(jī)構(gòu)推動(dòng)技術(shù)研發(fā)。迄今為止，包括我國(guó)在內(nèi)的世界主要國(guó)家，都在角逐量子通信技術(shù)和量子通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主導(dǎo)地位。

近來(lái)，量子通信的發(fā)展愈加豐富，但一般可將具有一定特點(diǎn)的理論協(xié)議或者方案大致劃分為量子密鑰分發(fā)（QKD）、量子安全直接通信（QSDC）、量子隱形傳態(tài)（QT）和量子秘密共享（QSS）等。當(dāng)然有不少學(xué)者的分類方法更為細(xì)致，又或者略有不同，但是如果從諸多種類協(xié)議或方案中選擇出最為熟悉的，那么非BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議莫屬。中國(guó)、美國(guó)和日本等國(guó)家都在構(gòu)建或已實(shí)現(xiàn)了量子通信干線及網(wǎng)絡(luò)。

另外，需要直面的是，盡管量子通信在保密通信研究中具有突出的理論優(yōu)勢(shì)，但是在實(shí)際應(yīng)用研究中仍然存在安全性和可靠性等問(wèn)題，所以竊聽者總是能夠抓住系統(tǒng)存在的任何漏洞，針對(duì)實(shí)際量子通信中的各種安全隱患進(jìn)行攻擊。未來(lái)隨著器件工藝和技術(shù)瓶頸的突破，研制滿足量子通信理論安全要求的器件是必不可少的，但當(dāng)下，相關(guān)研究人員也已從器件選用和協(xié)議構(gòu)建的角度去防御攻擊。

從量子通信誕生之初，褒揚(yáng)和質(zhì)疑便不絕于耳，新生的事物向來(lái)需要經(jīng)歷社會(huì)的歷練，具有顛覆性價(jià)值的技術(shù)更是如此。量子通信從20世紀(jì)80年代誕生的第一個(gè)協(xié)議以來(lái)，已經(jīng)形成了較為完善的技術(shù)領(lǐng)域體系和技術(shù)發(fā)展生態(tài)環(huán)境，未來(lái)仍然需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步取得突破性進(jìn)展，從而開發(fā)出人們?nèi)粘Ｉ钪锌吹靡?jiàn)、摸得著的保密通信應(yīng)用。

前言量子通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本書較為系統(tǒng)全面地闡述了量子通信的理論基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)和典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容，可為相關(guān)領(lǐng)域工作者和興趣愛(ài)好者提供理論知識(shí)、實(shí)踐方法和參考樣例。從通信的發(fā)展入手，介紹保密通信的困境，以及量子通信的重要意義；對(duì)量子通信的主要協(xié)議和方案進(jìn)行了歸納講解，并針對(duì)量子通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)、攻擊和防御，以及量子通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)情況進(jìn)行了分析；尤以典型量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)為例，闡述了量子通信系統(tǒng)的構(gòu)建。

全書共10章。第1章量子通信技術(shù)發(fā)展，介紹量子通信的發(fā)展起源和價(jià)值，以及目前的研究形勢(shì)；第2章量子力學(xué)基礎(chǔ)，提供相關(guān)研究的部分預(yù)備知識(shí)；第3～6章量子通信理論原理和協(xié)議方案，具體涵蓋量子密鑰分發(fā)、量子安全直接通信、量子隱形傳態(tài)和量子秘密共享；第7、8章分別介紹量子通信中部分關(guān)鍵技術(shù)和量子通信中一些安全問(wèn)題；第9、10章簡(jiǎn)述量子通信網(wǎng)絡(luò)和典型量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)案例。

中國(guó)航天科工集團(tuán)的張國(guó)萬(wàn)、霍娟、朱云亮、程學(xué)彬和姜來(lái)對(duì)手稿進(jìn)行了全面仔細(xì)的審核，毛磊、王智斌、劉笑華為本書的出版提出了寶貴的意見(jiàn)和建議，在此表示衷心的感謝！全書的編寫工作得到了中國(guó)航天科工集團(tuán)同仁的大力支持，在此一并表示感謝！最后感謝北京航空航天大學(xué)出版社各位老師認(rèn)真而全面的校對(duì)和對(duì)本書付出的精心指導(dǎo)！

量子通信領(lǐng)域每隔一段時(shí)間就會(huì)有大量成果涌出，本書不能以偏概全。另外由于作者水平有限，書中難免存在不妥之處，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

作者

2022年1月

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