序言

近几十年来，由于光纤和半导体激光器的发明，通信技术有了飞速的发展。光纤通信以其容量大、可靠性高而成为现阶段通信的主要手段之一。光纤通信主要采取用脉冲强度调制，并结合波分复用技术，极大地拓展了单根光纤内的信道容量。由于光信号在传输中会逐步衰减，为了达到长距离传输的目的，每隔一定距离需要通过掺铒光纤放大器组成的中继站将光信号恢复，达到长距离通信的目的。在光网络之上，还承载着电话网、移动通信网、IP网等业务网，为社会生产、生活活动提供不同种类的通信服务，其中应用最广泛的是以Internet为代表的IP网。在Internet中，信息传递的基本单元称为数据包，其数据格式、同步方式、传送步骤和纠错方式等方面的约定称为协议。由路由器在通信的枢纽节点对各个方向来的数据包进行必要的分配和调度。路由器的作用是从输入数据流中分离出数据包及包头，并将其转给转发引擎以做后续处理。

在网络通信中，军用或者民用的某些部门需要保密通信，为此发展了各种密码学。从原则上讲，最理想的保密通信是量子通信。相对于量子通信而言，现在的通信可以称为经典通信。量子通信尽管在原理上、理论上已经进行了许多深入的研究，但是离实用阶段还有一定距离，直观地说，问题在于，经典通信中所有的设备、功能如何能被对应的量子通信的设备、功能代替，如光源、中继器、路由器、协议等。目前经典通信的通信量、通信速度随着“硬件”的发展不断提高，而量子通信发展的瓶颈也在于这些“硬件”。

本书全面系统地介绍了量子通信的原理和一些关键技术，如量子通信协议、量子信号产生技术、量子信号调制技术、量子信号探测技术、量子中继技术和量子通信网络技术等。与已出版的国内外有关的量子信息书籍相比较，本书结合通信的每一环节介绍量子通信的原理和技术，以及尚待解决的问题，也就是结合使用来学习，这样可以明确研究的方向，以便学习得更深入，而不是一般泛泛地从理论到理论，陷入量子力学的“陷阱”中。

前面说到，量子通信存在着一些“瓶颈”，制约着量子通信进入实用阶段。例如：

（1）单光子源、纠缠光子源。最理想的量子通信光源是单光子源，但是目前实用的、可控制的、电激励的单光子源还没有研制成功。正如本书6.2.1节“单光子枪”中提到的：“到目前为止，斯坦福大学、东芝欧洲研究中心等机构都有相关研究成果发表。对于量子点光源，仅限于实验室针对于其制备、物理方面的研究。受现有技术的制约，在量子点光源的尺寸、形状一致性、光子的发射特性、光谱的单色性控制等方面都存在诸多困难。”

（2）量子中继器。本书9.4.1节“单光子量子中继技术的实验验证”中提到：“在2008年潘建伟小组的实验中，在存储时间为4.5 ns的条件下，仍观察到光子1和4间的纠缠现象，上述演示说明通过纠缠交换建立远距离量子纠缠是可能的，相当于实现量子中继过程中相邻站点间的一次纠缠产生过程。一方面，此实验验证了量子中继的一般原理；另一方面，也说明了现阶段量子中继所需设备复杂，实验难度大。由于现阶段对于光与物质相互作用的操控能力有限，量子中继技术距离实际应用还有较长的路要走。”

（3）光子存储器。电子存储器技术已经解决，现在已经做到信息的海量存储，而光子存储器连原理到原型器件都没有。在量子通信网络技术中，最关键的“硬件”是光子存储器。本书10.1.4节“其他量子交换技术”中提到：“光量子可控缓存器是量子时分交换实现的关键。定时的光量子缓存器可以采用光纤延时线来实现，但为了实现任意时隙间的交换过程，必须要求各个分路上的时隙是可以调节的。光量子信号存储一直是困扰量子通信网络的一大难题，现在还处于理论研究和实验室验证阶段，暂还不具备实用化条件。”

目前，中国科技界存在一种不好的倾向，要宣传一个东西好，就描写得十全十美，一点问题也没有，好像马上就能实现的样子。俗话说就是“忽悠”。本书在介绍量子通信优点的同时，又实事求是地指出了它目前存在的困难和问题，使领导和科技工作者头脑保持清醒，知道量子通信前面的路还很长，还需要我们继续努力，刻苦钻研，攻克一个个堡垒，最后才能达到顶峰。

本书的作者是以尹浩研究员为代表的一批中年和青年科技专家，他们长期致力于量子通信领域的理论研究和工程化实践工作，具有坚实的理论基础和丰富的实践经验。这支团队在繁重的科研工作间隙，基于自身的研究成果和相关素材，编著了这本理论与实践相结合的优秀著作，相信他们严谨求实的科学态度和深入浅出的写作文风会给读者留下深刻的印象，并希望本书能对我国量子通信相关知识的普及和专业人才的培养做出一定的贡献。

中国科学院院士　夏建白
于北京中国科学院半导体研究所
2012年7月2日