本书系统性地阐述了太赫兹量子通信领域的基础理论、技术演进与前沿进展，全面剖析了该领域的关键技术突破、现存挑战及未来发展趋势。内容涵盖太赫兹量子通信的基本概念、核心技术体系与发展脉络，探讨了量子安全直接通信的理论架构与实验验证，并对量子随机数生成这一关键技术在电子体系中实现的最新突破进行了深入分析。此外，本书还详细介绍了新型太赫兹激光器与太赫兹单光子探测器等核心器件的研究进展。

本书主要面向保密通信领域与太赫兹通信领域理论研究和工程技术人员，也可作为相关领域研究人员的参考资料，或者高等院校相关专业研究生的教学参考书。

目录

第 1 章 绪论

1.1 太赫兹波

1.2 通信系统

1.2.1 古典通信系统

1.2.2 现代通信系统

1.3 保密通信技术

1.3.1 对称加密

1.3.2 非对称加密

1.4 量子计算

1.4.1 量子 Shor 算法

1.4.2 量子经典混合大数分解算法

1.4.3 量子计算机

1.5 量子传输

1.5.1 一次一密

1.5.2 离散变量量子密钥分发

1.5.3 连续变量量子密钥分发

1.5.4 量子安全直接通信

1.6 太赫兹波信道特点及其在量子通信的优势

参考文献

第 2 章 基本概念

2.1 信息熵

2.1.1 香农熵

2.1.2 联合熵和条件熵

2.1.3 互信息

2.2 微分熵

2.2.1 微分熵的定义

2.2.2 联合微分熵和条件微分熵

2.2.3 通信系统信道容量分析

2.3 冯？诺依曼熵

2.3.1 冯？诺依曼熵的定义

2.3.2 联合冯？诺依曼熵、条件冯？诺依曼熵以及互信息

2.4 量子态

2.4.1 光场量子化

2.4.2 Fock 态

2.4.3 高斯态

2.4.4 单模高斯态

2.4.5 双模高斯态

2.5 高斯分布的香农熵及高斯态的冯？诺依曼熵

参考文献

第 3 章 量子安全直接通信

3.1 基本概念

3.1.1 原理介绍

3.1.2 国内外发展历程

3.2 传输协议

3.2.1 高效协议

3.2.2 DL04 协议

3.2.3 两步协议

3.2.4 单向协议

3.2.5 高维协议

3.2.6 测量设备无关协议

3.2.7 设备无关协议

3.3 量子安全直接通信进展

3.3.1 光纤量子安全直接通信实验

3.3.2 无线量子安全直接通信实验

3.3.3 光开关全量子安全直接通信局域网

3.3.4 单向量子安全直接通信系统

参考文献

第 4 章 量子随机数

4.1 随机数

4.1.1 随机数的定义和特征

4.1.2 随机数发生器的发展历程

4.2 随机数发生器评价规范

4.3 基于光子体系的量子随机数发生器

4.3.1 基于单光子体系的离散变量量子随机数发生器

4.3.2 基于光子相位噪声的连续变量量子随机数发生器

4.3.3 基于真空态的连续变量量子随机数发生器

4.4 基于量子隧道效应的量子随机数发生器

4.4.1 基本概念

4.4.2 基于隧道二极管的电子体系量子随机数发生器

4.4.3 基于范德瓦尔斯异质结的电子体系量子随机数发生器

4.5 基于雪崩光电二极管的电子体系量子随机数发生器

4.5.1 实验装置

4.5.2 随机数质量分析

参考文献

第 5 章 太赫兹无线通信

5.1 太赫兹无线通信系统

5.1.1 太赫兹信号产生

5.1.2 太赫兹信号接收

5.1.3 太赫兹波传输特性

5.1.4 太赫兹无线通信关键技术及挑战

5.1.5 太赫兹通信的应用前景

5.2 太赫兹量子级联激光器和太赫兹量子阱探测器

5.2.1 太赫兹量子级联激光器

5.2.2 太赫兹量子阱探测器

5.3 太赫兹波与里德堡原子

5.3.1 里德堡原子的定义和特点

5.3.2 里德堡原子的 EIT-AT 效应

5.3.3 基于 EIT 效应的太赫兹波探测

5.3.4 基于里德堡原子的微波通信和太赫兹通信

5.3.5 里德堡原子的其他进展

参考文献

第 6 章 太赫兹离散变量量子通信

6.1 单光子探测器

6.1.1 单光子探测器的概念

6.1.2 单光子探测器的种类及基本原理

6.2 太赫兹量子点单光子探测器

6.2.1 量子点

6.2.2 太赫兹量子点单光子探测器基本原理

6.2.3 太赫兹量子点单光子探测器发展历程

6.3 太赫兹量子阱单光子探测器

6.3.1 半导体量子阱

6.3.2 太赫兹量子阱单光子探测器基本原理

6.3.3 太赫兹量子阱单光子探测器发展历程

6.4 太赫兹量子电容单光子探测器

6.5 太赫兹离散变量量子密钥分发

6.5.1 辉光放电探测器工作原理

6.5.2 基于辉光放电探测器的太赫兹 B92 协议

6.6 太赫兹离散变量量子安全直接通信

参考文献

第 7 章 太赫兹连续变量量子通信

7.1 太赫兹波一般性质分析

7.1.1 太赫兹波段的热噪声光子数

7.1.2 太赫兹波的大气吸收损耗

7.2 太赫兹量子密钥分发的一般过程和分析框架

7.2.1 太赫兹连续变量量子密钥分发一般模型

7.2.2 太赫兹连续变量量子密钥分发密钥率分析

7.3 太赫兹量子密钥分发可行性分析

7.4 地面大气自由空间太赫兹连续变量量子密钥分发

7.5 室内环境太赫兹连续变量量子密钥分发

7.6 太空环境太赫兹连续变量量子密钥分发

7.7 基于 MIMO 的太赫兹连续变量量子密钥分发

7.8 提升密钥率的太赫兹量子密钥分发方案

7.9 其他太赫兹量子通信协议

7.10 太赫兹连续变量量子安全直接通信

7.11 本章小结

参考文献

前言

2021 年，国内外 50 多位通信专家联合撰写并发表了关于 6G 无线通信网络的长篇综述 Towards 6G wireless communication networks: Vision, enabling technologies, and new paradigm shifts，文中强调了通信网络安全的重要性，肯定了量子通信在 6G 时代安全通信领域的应用前景。

量子通信是一种利用量子态进行信息传递的新型通信方式，主要研究方向为量子密钥分发、量子直接安全通信等。基于量子力学中的不确定关系、测量坍缩和不可克隆原理，量子通信可以实现 “无条件安全” 通信。由于量子通信的高安全特点，以及我国 “墨子号” 量子通信卫星的成功发射，量子直接通信样机在 2020 年中关村论坛作为重大成果发布，量子通信领域引发了社会各界的广泛关注。2020 年 10 月 16 日，中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习，体现了国家对于量子科技的重视。目前，量子通信的实现主要集中在可见光和近红外波段。相比于可见光和近红外光，太赫兹波段电磁波在烟雾、沙尘等环境下具有更强的穿透能力，对于通信双方对准装置要求较低等优势，发展太赫兹波段量子通信意义重大。

基于这样的背景，我们编写了本书，以便为读者提供此方向最新的前沿进展。本书介绍了量子通信和太赫兹通信的基本概念、方案发展和技术进步，重点介绍太赫兹量子通信技术，对于已经有的发展进行了全面回顾和分析，加入了我们在这个领域的探索工作，并且展望了太赫兹量子通信技术发展方向。

本书分为 7 章。第 1 章绪论介绍了太赫兹科学与技术，以及从古典通信到现代通信的大背景，最后介绍了量子通信从光学波段发展到太赫兹波段的意义；第 2 章介绍了太赫兹量子通信的基本概念；第 3 章重点介绍了量子安全直接通信的原理和发展历史以及最新进展；第 4 章介绍了量子随机数发生器的最新研究进展；第 5 章介绍了太赫兹无线通信系统以及新型元器件包括太赫兹量子级联激光器和太赫兹量子阱探测器，以及里德堡原子及其在太赫兹通信的应用前景；第 6 章和第 7 章介绍了太赫兹离散变量量子通信和太赫兹连续变量量子通信的研究进展和发展方向。

本书第 1、2、5、6、7 章由龙桂鲁和杨哲撰写，第 3 章主要由龙桂鲁教授根据团队在量子安全直接通信领域的重要进展撰写，第 4 章由清华大学物理系李俊林副教授根据团队在电子体系量子随机数的重要进展撰写。首都师范大学张存林教授对本书太赫兹部分提出了重要且有益的建议，龙桂鲁团队潘栋副研究员，李俊林团队博士生刘宇轩，张存林教授团队硕士生孙东云等对于本书的成型以及部分章节校正部分做出了重要贡献，特此致谢。

总之，太赫兹波的量子效应及其在量子信息尤其是量子通信中的应用正处于蓬勃发展之中。本书及时梳理了当前主要工作，由于成书仓促，书中若有疏漏与不足之处，敬请读者批评指正。

作者2025 年 12 月