淺談量子通信在交通通信與網絡中的應用

2024年1月8日發(作者：索賠英文)

淺談量子通信在交通通信與網絡中的應用

摘要：隨著交通運輸行業的快速發展，信息傳輸的需求日益增長。利用量子通信技術進行交通數據信息傳輸，是目前最有可能改變未來信息傳輸和網絡的通信方式。本文通過分析當前交通通信與網絡中的現狀與問題，結合國內外量子通信在交通領域的研究和應用現狀等，分析了量子通信技術在交通領域的應用需求，總結出量子通信在當前以及未來交通中的應用價值，發現量子通信在交通領域擁有一片藍海市場。結合交通運輸行業的實際情況，對量子通信在交通通信與網絡中的前景進行了展望。

關鍵詞：量子通信；交通通信與網絡；交通運輸；信息安全

隨著社會的發展和科學技術的進步，人們對信息傳遞和共享的需求越來越強烈。特別是交通運輸行業，現代交通運輸事業的飛速發展，其數據信息傳輸量巨大，同時對信息安全有了更高的要求。由于網絡建設、運營過程中不可避免地會存在安全隱患。量子通信作為新型傳輸方式，在信息安全上有諸多優勢，可為交通行業帶來新的思路。

1 通信網絡概述

由于網絡技術的飛速發展，信息傳遞的時空障礙被破除，使得遠距離的不同終端可以實現實時、便捷的交流互動，進而推動世界朝著扁平化趨勢發展。2018

年，我國提出了加快“新型基礎設施”建設工作，作為新基建的重點和網絡建設的基石，通信網絡將為互聯網、人工智能、智能制造業等信息領域新技術的發展和應用提供強有力支持。隨著新型基礎設施建設的不斷推進，通信網絡的發展將為人工智能、云計算、大數據等技術提供高帶寬、低時延和安全可靠的通信保障。

2 交通通信與網絡現狀與問題分析

隨著全球信息技術持續快速發展，我國交通網絡規模也在不斷擴大，通信網絡的拓撲結構在一定程度上得到優化，實現了通信網互聯互通、交通網絡雙層規劃以及資源共享的完善體系，為運輸效率、行車安全、乘客舒適度以及應急處理等方面提供強有力支撐。“兩個一百年”的宏偉目標提出，要提供安全、便捷、

優質的綜合交通信息服務。然而在當今環境下，交通通信網絡仍然面臨以下幾大問題。

2.1 網絡安全性不足

在多智能體系統中，節點間協同控制的實現必須要依賴連通的網絡通信圖，然而由于多智能體系統通常在開放環境中部署并運行，其網絡通信線路易受外部環境的影響，甚至遭到惡意攻擊。

2.2 功能定位相對單一

以城市軌道交通通信系統為例：我國在早期建設城市軌道交通通信系統時，由于缺乏對城市軌道交通的合理規劃，導致建設過程中出現較多問題。在開展城市規劃建設時，過分強調軌道交通和公共交通因素的影響，而忽略了對系統功能定位的清晰劃分。對于城市軌道通信系統的定位，往往將其看作一種服務設施，因此不能充分發揮其作用，且對其后續的維護和升級工作也不夠重視。隨著城市的高速發展，城市軌道交通設施需求量不斷增加，單一的軌道交通設施往往不能滿足時代發展的需要，從而對城市軌道交通多元化發展提出了更高要求。

[1]2.3 通信標準不統一

隨著科技技術水平的提高，傳統高速公路的交通通信網絡系統已經不能適配于當今社會的需求，并且因為各部門在系統建設過程中缺乏統一，所以導致信息的互聯互通和資源共享受到了限制，使得交通管理成本大幅度提升，管理難度也隨之增加。例如，在大數據系統的幫助下，可以實現對高速公路的高效管理，對可能面臨的危險情況及時做出預警。但是由于目前在高速公路交通通信網絡建設的過程中還沒有完成技術標準的統一，不同地區管理部門間信息難以有效互通，為高速公路交通管理增添了不必要的工作量。

[2]3 量子通信國內外綜述

近幾年，量子通信技術因其卓越的安全性而成為科學研究的熱點。1984 年，Brassard 與Bennett 提出了首個量子密鑰分發協議（BB84 協議），成為量子通信的開始。量子保密通信網絡建設從小規模試驗網開始，2003 年美國國防部資

助建立全球首個QKD 網絡、美國國家標準技術局在2006 年展示了3 用戶的QKD

網絡、2008 年歐盟建成了SECOQCQKD 網絡、2009 年西班牙建成了馬德里QKD

網絡實驗床、2010 年日本建成了4 節點東京QKD 網絡等。2008—2009 年，中國科學技術大學先后建成了3 節點與5 節點的QKD 網絡。

在中國，量子通信技術已經取得了很大進展。2013 年7 月，中國科學技術大學建立了長達2 000 余公里的量子保密通信“京滬干線”城域網，連通了北京市、上海市、合肥、濟南等地。2017 年實現與“墨子號”量子衛星對接，構建了全球最大規模的QKD 網絡。2018 年，世界上第一個城市范圍內的量子通信網在中國成功實現。

中國在這一領域取得的突出成就引起了世界各國的廣泛關注和積極跟進。歐洲和美國也在積極開展量子通信的研究。歐洲在2016 年實現了基于光纖的量子密鑰分發，而美國也在2017 年成功地實現了基于微波的量子通信。此外，日本、韓國、加拿大和澳大利亞等國家也在進行量子通信的研究和實驗。目前，國際上正在積極探索量子通信的商業應用和標準化。

[3]4 量子通信的原理與特性

4.1 量子通信的基本原理

量子通信的理論定義其實并沒有一個嚴格標準，從物理學角度可以認為是一個物理極限，通過量子效應就可以實現高性能通信。從信息學角度而言，量子通信過程中相應信息的傳遞是借助量子力學原理中特有的屬性來實現的。量子通信采用量子糾纏和量子態傳輸等特性建立安全的密鑰，通過量子態測量傳輸信息，保證信息的安全傳輸和保護。其中，量子糾纏實現密鑰分發，量子態傳輸實現信息傳輸，量子態測量實現信息獲取。

量子通信分為兩類：量子密鑰分發和量子態隱形傳態。量子密鑰分發即量子信道負責傳輸量子密鑰，經典信道負責傳輸測量基等額外信息。而量子隱形傳態則是將物體的一部分信息通過量子信道傳遞給接收方，同時用傳統信道作為補充傳輸剩余信息。

4.2 量子通信的特性

相較于傳統的通信方式，量子通信的顯著優勢在于高效率性和絕對安全，此外量子通信還具有出色的隱蔽性能、強大的抗干擾能力、較低的噪音比以及可以被廣泛應用的潛力。

量子通信的優越性在于其會將信息進行加密傳輸，且此過程中形成的密鑰充滿隨機性，可以有效避免被相關人員截取并破譯出真實信息，而傳統通信方式存在的安全性問題則無法克服。并且由于量子的不可分割以及不可復制性，能夠使信息傳遞者在第一時間發現是否被他人竊聽，從而及時改變信道或停止傳遞，所以嚴格意義上來看，它是絕對安全的。

比如，光纖網絡就像是一條高速公路，光子是一輛裝滿貨物的汽車。在經典通信條件下，汽車成隊按照一定路線行進；而在量子密鑰分發下，汽車是獨自行駛在路面上，而且還會呈現隨機的速度和狀態，甚至會行駛在不同的車道上，混入不同的車流中。前者可以截獲完整的信息，而后者即便捕獲到某一輛或某幾輛車，也會造成貨物缺失，即使是能夠破解，也無法獲取完整的信息。

總結與展望

量子通信應用范圍廣，包括安防反恐、交通管理、能源電力、金融保險等在內的多個領域，在交通通信與網絡中的應用價值更是不可估量。無論國內還是國外，他們都專注于量子通信研究，力爭在量子通信方面做出一些成果，造福于國家和世界。在這個過程中，取得了許多令人矚目的成就，量子通信取得了重大突破。量子通信未來將擁有一片藍海市場，將成為新一輪科技革命和產業變革的排頭兵。加快發展量子通信，對推動高質量發展、保障國家交通安全具有十分重要的作用。

參考文獻：

[1]鄧景云. 淺談高速公路通信網絡技術的現狀和展望[J]. 華東科技（綜合）, 2020,

000(007):P.1-1.

[2]陳智慧. 城市軌道交通通信系統的發展以及現狀[J].數字通信世

[3]梁雨清. 劃時代的量子通信技術現狀及展望 [J]. 電子世界 ,2016(24).