前言

20世纪物理学史上最重要的成就之一是量子力学的创立。量子力学揭示了经典物理学规律只是量子规律在宏观条件下的近似，世界本质上是量子的，微观物理系统的状态和其动力学特性必须在量子力学下才能完整描述，而物理量的测量结果是概率的、统计性的，而不应是简单的拉普拉斯决定论的。量子力学通过一整套自洽的理论框架和数学结构，改变了我们对自然界的描述方法，也大大加深了我们对自然界本质的认识。

量子力学自诞生以来，取得了巨大的成功。许多现象通过量子力学才得以真正地被解释，奇妙的、全新的物理现象被量子力学精确地预言。量子力学的发展，还促成了半导体技术、微电子技术、激光技术、新能源技术与材料科学的出现和发展，极大地促进了人类文明的进步。

20世纪另一项对人类社会影响深远的科技进步是信息与通信技术。信息技术的兴起以电子计算机的出现为标志。随着计算机技术的不断进步以及卫星通信、光通信和互联网的大规模应用，信息的存储、传输、处理和应用过程发生了根本性的变化，人类从此进入信息时代。正如19世纪热力学和蒸汽机技术相互促进的发展模式一样，在信息技术取得极大飞跃的同时，一门抽象地研究信息本质的科学——信息论也随之诞生。1948年，香农发表了划时代的论文《通信的数学理论》，文中用精巧的数学形式将信息学初步确立为一门可以定量描述的现代科学。60多年以来，以香农理论为核心的经典信息论经历了一个发展成熟的过程，并对信息与通信技术的进步起到了重要的指导和推动作用。

信息与通信技术、信息论和物理学存在着深刻和密切的联系。信息必须以一定的物理态作为载体才能进行表示、传输、存储和处理。因此，人们对信息的处理过程实际上都归结为对物理状态的操控。例如，信息的表示是对物理态编码和调制的过程，通信是编码物理态的远距离传输过程，信息处理是按算法要求对编码物理态进行演化控制的过程，信息的提取则是对编码物理态的解调和后续的测量过程。因此，人们对信息的利用能力紧密地依赖着我们对物理系统的操控能力，从烽火台到无线电，从磁盘到光盘，无不深刻地揭示了这一点。随着人们对量子系统操控能力的不断增强，而既然经典物理态和量子态的性质和演化又遵循完全不同的规律，可以想见，若我们将信息编码在量子态上，信息的存储、传输和处理方式将发生根本性的变革，由此诞生了量子信息学。

量子信息学是量子力学、计算机科学、信息与通信工程学科相结合的一门交叉学科，主要包含量子通信和量子计算两个基本领域。基于编码物理系统的量子特性，如量子相干性、非局域性、量子纠缠、量子不可克隆性等，量子信息有着许多经典信息无法比拟的优势。它的发展突破了许多经典信息技术的物理极限，开拓出新的信息功能，如量子搜索、因式分解、量子保密通信和量子隐形传态等，展示了量子信息学在通信密码破译、超快计算、安全通信等方面的巨大应用前景。

我国已将以量子信息技术为核心的量子调控技术列入了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020）》中重大科学研究计划，并在多所高校或科研院所成立了相关的研究机构。经过十数年的发展，我国已经在光纤量子通信、空间量子隐形传态、纠缠分发和量子存储等关键技术方向取得了一批具有国际先进水平的科研成果，整体发展水平居于世界前列。虽然在现阶段，由于对量子体系操控能力的不足，量子通信系统相对于经典通信系统的很多优势还停留在实验室验证阶段，暂未能大规模地进行工程化应用。然而，信息技术逐步走向由量子力学规律支配的微观世界是大势所趋，量子通信系统的能力和适用性也正随着量子技术的发展不断提高，应用成本不断降低，世界各国已经涌现了一批以量子信息为主业的商业机构，开发了多种诸如量子随机数发生器、量子保密通信系统等产品上市销售。随着量子通信在理论和实验上的不断突破，这一领域很可能会在本世纪上半叶引起关于信息和通信技术的一场革命。

与此同时，我国在量子信息领域的学术著作还不够丰富，尤其是量子通信领域高水平参考资料比较匮乏，无法满足广大科研工作者和工程技术人员的需求。本书的作者来自量子通信领域理论研究和工程化实现的一线科研团队，具有扎实的理论基础和丰富的工程实践经验。作者力争将本书编写成为一本既着眼共性基本原理，又反映最新研究成果，并直接面向工程实践的优秀参考书籍，从而为改善国内量子通信领域高水平参考资料不足的现状做出自己的贡献。

本书主要介绍量子通信的基本原理和实现量子通信系统所需的相关关键技术。本书分12章，内容遵循“量子力学基础—量子信息论—量子通信协议—实现量子通信所需关键技术—典型量子通信系统举例—量子通信技术发展展望”主线，各个章节的基本内容和逻辑联系如下：

第1章绪论，通过回顾量子力学的发展历程，简介量子信息学的研究范畴，并概述量子通信领域的发展现状，力图使读者对本书涉及的各学科领域有一个概貌性的了解。

第2章量子力学基础，将主要给出与量子通信领域相关的量子力学的基本原理和光场量子化等内容，为读者进一步学习后续内容做好铺垫。

第3章量子信息的基本概念，将引入量子比特、量子纠缠等量子信息学中特有的信息资源，并对其特性进行总结。

第4章量子信息论简介，将通过与经典信息论的对比，介绍量子信息论的基本概念和主要结论，作为后续学习具体量子通信协议的信息论基础。

第5章将分类介绍主流的量子通信协议，并给出协议的简要安全性分析，为全书的核心章节之一。通过对比经典通信协议，力图使读者较为全面地了解量子通信的特点和优势，理解我们着力发展量子通信技术的主要驱动力来源。

第6章至第10章将分别介绍实现量子通信所涉及的关键技术，包括量子信号产生、量子信号调制、量子信号探测、量子中继和量子网络技术。

第11章将举例介绍不同类型的典型量子通信系统，分别针对有线信道和无线信道点对点量子通信系统，以及已公开报道的量子通信实验网络，给出了系统组成、工作原理和技术发展现状。

第12章将介绍量子通信领域中的一些新进展，包括现实量子通信系统的安全性问题、量子存储技术、量子复用技术、星地量子通信技术等，并试图对量子通信未来的发展进行预测和展望。

本书由尹浩研究员、韩阳博士策划编著，确定了全书的总体思路和章节内容，编写了部分内容并负责统稿。参与本书编写的人员还包括徐馥芳博士、裴昌幸教授、邹宏新副教授、张军副教授、陈腾云副教授、朱畅华副教授、沈咏博士等。此外，在本书编写期间，陈凯教授、陈宇翱教授、任继刚副研究员、权东晓副教授、赵楠博士、唐军博士等与作者进行了多次有益的学术交流和讨论，提供了部分参考资料和写作素材，提出了很多宝贵的意见和建议，作者在此一并表示感谢。作者还要感谢电子工业出版社，特别是通信分社窦昊社长对本书按期高质量出版给予的大力支持。

由于作者水平有限，成书时间也较为仓促，书中难免出现疏漏及不足之处，恳请业界专家、学者和使用本书的广大专业技术人员批评、指正。

编者
2012年9月于北京