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量子通信技術(shù)
量子通信技術(shù)【1】
【摘要】量子通信作為既新鮮又古老的話題，它具有嚴(yán)格的信息傳輸特性，目前已經(jīng)取得突破性進(jìn)展，被通信領(lǐng)域和官方機(jī)構(gòu)廣泛關(guān)注。
本文結(jié)合量子，對量子通信技術(shù)以及發(fā)展進(jìn)行了簡單的探討。
【關(guān)鍵詞】量子;通信;技術(shù);發(fā)展
對量子信息進(jìn)行研究是將量子力學(xué)作為研究基礎(chǔ)，根據(jù)量子并行、糾纏以及不可克隆特性，探索量子編碼、計(jì)算、傳輸?shù)目赡苄�，以新途徑、思路、概念打破原有的芯片極限。
從本質(zhì)來說：量子信息是在量子物理觀念上引發(fā)的效應(yīng)。
它的優(yōu)勢完全來源于量子并行，量子糾纏中的相干疊加為量子通訊提供了依據(jù)，量子密碼更多的取決于波包塌縮。
理論上，量子通信能夠?qū)崿F(xiàn)通信過程，最初是通過光纖實(shí)現(xiàn)的，由于光纖會受到自身與地理?xiàng)l件限制，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，所以不利于全球化。
到1993年，隱形傳輸方式被提出，通過創(chuàng)建脫離實(shí)物的量子通信，用量子態(tài)進(jìn)行信息傳輸，這就是原則上不能破譯的技術(shù)。
但是，我們應(yīng)該看到，受環(huán)境噪聲影響，量子糾纏會隨著傳輸距離的拉長效果變差。
一、量子通信技術(shù)
(一)量子通信定義
到目前為止，量子通信依然沒有準(zhǔn)確的定義。
從物力角度來看，它可以被理解為物力權(quán)限下，通過量子效應(yīng)進(jìn)行性能較高的通信;從信息學(xué)來看，量子通信是在量子力學(xué)原理以及量子隱形傳輸中的特有屬性，或者利用量子測量完成信息傳輸?shù)倪^程。
從量子基本理論來看，量子態(tài)是質(zhì)子、中子、原子等粒子的具體狀態(tài)，可以代表粒子旋轉(zhuǎn)、能量、磁場和物理特性，它包含量子測不準(zhǔn)原理和量子糾纏，同時(shí)也是現(xiàn)代物理學(xué)的重點(diǎn)。
量子糾纏是來源一致的一對微觀粒子在量子力學(xué)中的糾纏關(guān)系，同時(shí)這也是通過量子進(jìn)行密碼傳遞的基礎(chǔ)。
Heisenberg測不準(zhǔn)原理作為力學(xué)基本原理，是同一時(shí)刻用相同精度對量子動(dòng)量以及位置的測量，但是只能精確測定其中的一樣結(jié)果。
(二)量子通信原理
量子通信素來具有速度快、容量大、保密性好等特征，它的過程就是量子力學(xué)原理的展現(xiàn)。
從最典型的通信系統(tǒng)來說具體包含：量子態(tài)、量子測量容器與通道，擁有量子效應(yīng)的有：原子、電子、光子等，它們都可以作為量子通信的信號。
在這過程中，由于光信號擁有一定的傳輸性，所以常說的量子通信都是量子光通信。
分發(fā)單光子作為實(shí)施量子通信空間的依據(jù)，利用空間技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)空間量子的全球化通信，并且克服空間鏈路造成的距離局限。
利用糾纏量子中的隱形量子傳輸技術(shù)作為未來量子通信的核心，它的工作原理是：利用量子力學(xué)，由兩個(gè)光子構(gòu)成糾纏光子，不管它們在宇宙中距離多遠(yuǎn)，都不能分割狀態(tài)。
如果只是單獨(dú)測量一個(gè)光子情況，可能會得到完全隨機(jī)的測量結(jié)果;如果利用海森堡的測不準(zhǔn)原理進(jìn)行測量，只要測量一個(gè)光子狀態(tài)，縱使它已經(jīng)發(fā)生變化，另一個(gè)光子也會出現(xiàn)類似的變化，也就是塌縮。
根據(jù)這一研究成果，Alice利用隨機(jī)比特，隨機(jī)轉(zhuǎn)換已有的量子傳輸狀態(tài)，在多次傳輸中，接受者利用量子信道接收;在對每個(gè)光子進(jìn)行測量時(shí)，同時(shí)也隨機(jī)改變了自己的基，一旦兩人的基一樣，一對互補(bǔ)隨機(jī)數(shù)也就產(chǎn)生。
如果此時(shí)偷聽者偷聽，就會破壞糾纏光子對，Alice與Bob也就發(fā)覺，所以運(yùn)用這種方式進(jìn)行通信是安全的。
(三)量子密碼技術(shù)
從Heisenberg測不準(zhǔn)原理我們可以知道，偷聽不可能得到有效信息，與此同時(shí)，偷聽量子信號也將會留下痕跡，讓通信方察覺。
密碼技術(shù)通過這一原理判別是否存在有人竊取密碼信息，保障密碼安全。
而密鑰分配的基本原理則來源于偏振，在任意時(shí)刻，光子的偏振方向都擁有一定的隨機(jī)性，所以需要在糾纏光子間分設(shè)偏振片。
如果光子偏振片與偏振方向夾角較小時(shí)，通過濾光器偏振的幾率很大，反之偏小。
尤其是夾角為90度時(shí)，概率為0;夾角為45度時(shí)，概率是0.5，夾角是0度時(shí)，概率就是1;然后利用公開渠道告訴對方旋轉(zhuǎn)方式，將檢測到的光子標(biāo)記為1，沒有檢測到的填寫0，而雙方都能記錄的二進(jìn)制數(shù)列就是密碼。
對于半路監(jiān)聽的情況，在設(shè)置偏振片的同時(shí)，偏振方向的改變，這樣就會讓接受者與發(fā)送者數(shù)列出現(xiàn)差距。
(四)量子通信的安全性
從典型的數(shù)字通信來說：對信息逐比特，并且完全加密保護(hù)，這才是實(shí)質(zhì)上的安全通信。
但是它不能完全保障信息安全，在長度有限的密文理論中，經(jīng)不住窮舉法影響。
同時(shí)，偽隨機(jī)碼的周期性，在重復(fù)使用密鑰時(shí)，理論上能夠被解碼，只是周期越長，解碼破譯難度就會越大。
如果將長度有限的隨機(jī)碼視為密鑰，長期使用雖然也會具有周期特征，但是不能確保安全性。
從傳統(tǒng)的通信保密系統(tǒng)來看，使用的是線路加密與終端加密整合的方式對其保護(hù)。
電話保密網(wǎng)，是在話音終端上利用信息通信進(jìn)行加密保護(hù)，而工作密鑰則是偽隨機(jī)碼。
二、量子通信應(yīng)用與發(fā)展
和傳統(tǒng)通信相比，量子通信具有很多優(yōu)勢，它具有良好的抗干擾能力，并且不需要傳統(tǒng)信道，量子密碼安全性很高，一般不能被破譯，線路時(shí)延接近0，所以具有很快的傳輸速度。
目前，量子通信已經(jīng)引起很多軍方和國家政府的關(guān)注。
因?yàn)樗芙⑵馃o法破譯的系統(tǒng)，所以一直是日本、歐盟、美國科研機(jī)構(gòu)發(fā)展與研究的內(nèi)容。
在城域通信分發(fā)與生成系統(tǒng)中，通過互聯(lián)量子路由器，不僅能為任意量子密碼機(jī)構(gòu)成量子密碼，還能為成對通信保密機(jī)利用，它既能用于逐比特加密，也能非實(shí)時(shí)應(yīng)用。
在嚴(yán)格的專網(wǎng)安全通信中，通過以量子分發(fā)系統(tǒng)和密鑰為支撐，在城域范疇，任何兩個(gè)用戶都能實(shí)現(xiàn)逐比特密鑰量子加密通信，最后形成安全性有保障的通信系統(tǒng)。
在廣域高的通信網(wǎng)絡(luò)中，受傳輸信道中的長度限制，它不可能直接創(chuàng)建出廣域的通信網(wǎng)絡(luò)。
如果分段利用量子密鑰進(jìn)行實(shí)時(shí)加密，就能形成安全級別較高的廣域通信。
它的缺點(diǎn)是，不能全程端與端的加密，加密節(jié)點(diǎn)信息需要落地，所以存在安全隱患。
目前，隨著空間光信道量子通信的成熟，在天基平臺建立好后，就能實(shí)施范圍覆蓋，從而拓展量子信道傳輸。
在這過程中，一旦量子中繼與存儲取得突破，就能進(jìn)一步拉長量子信道的輸送距離，并且運(yùn)用到更寬的領(lǐng)域。
例如：在潛安全系統(tǒng)中，深海潛艇與岸基指揮一直是公認(rèn)的世界難題，只有運(yùn)用甚長波進(jìn)行系統(tǒng)通信，才能實(shí)現(xiàn)幾百米水下通信，如果只是使用傳統(tǒng)的加密方式，很難保障安全性，而利用量子隱形和存儲將成為開辟潛通的新途徑。
三、結(jié)束語
量子技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，作為現(xiàn)代科學(xué)與物理學(xué)的進(jìn)步標(biāo)志之一，它對人類發(fā)展以及科學(xué)建設(shè)都具有重要作用。
因此，在實(shí)際工作中，必須充分利用通信技術(shù)，整合國內(nèi)外發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，從各方面推進(jìn)量子通信技術(shù)發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
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量子通信技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用【2】
【關(guān)鍵詞】量子比特 量子糾纏 隱形傳態(tài) 現(xiàn)狀及發(fā)展
隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，量子通信作為后摩爾時(shí)代的新技術(shù)，會逐漸走進(jìn)人們的生活，尤其在金融、國防、信息安全等方面的應(yīng)用將做出巨大的貢獻(xiàn)。
目前我國已經(jīng)在光纖量子通信、空間量子隱形傳態(tài)、糾纏分發(fā)和量子存儲等關(guān)鍵技術(shù)方面取得了一些具有國際先進(jìn)水平的科研成果，整體發(fā)展水平居于世界前列。
1 量子通信簡介
量子通信的概念是由美國科學(xué)家C.H.Bennett于1993年提出的，他指出量子通信是由量子態(tài)攜帶信息的通信方式，是利用光子等基本粒子的量子糾纏原理實(shí)現(xiàn)保密通信過程。
量子通信的最大優(yōu)點(diǎn)是其具有理論上的無條件、安全性和高效性。
它對金融、電信、軍事等領(lǐng)域有極其重要的意義，目前在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)獲得了一定的發(fā)展。
量子通信主要有量子密鑰分配、量子隱形傳態(tài)、量子安全直接通信和量子機(jī)密共享等。
2 量子信息的基本概念
2.1 量子
量子是構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元，是能量的最基本攜帶者，其基本特征是不可分割性。
2.2 量子比特
量子比特(quantum bit，簡寫為qubit或qbit)，與經(jīng)典比特(bit)只能處在“0”或“1”的某一種狀態(tài)不同，量子比特既可能處于0態(tài)，也可能處于1態(tài)，還可能處于這兩個(gè)態(tài)的疊加態(tài)。
量子比特的實(shí)現(xiàn)最常采用的是以光信號為載體，還可以是電子、原子核、超導(dǎo)線路和量子點(diǎn)等載體。
光信號主要包括單光子和連續(xù)變量。
單光子可以用垂直偏振和45°偏振表示量子比特|0>，用水平偏振和135°偏振表示量子比特|1>，還可以用光子的相位和光脈沖中的光子數(shù)來表示量子比特。
連續(xù)變量可以用廣義位置和廣義動(dòng)量的取值來表示量子比特。
2.3 量子糾纏
糾纏是量子粒子之間的連接，是宇宙的結(jié)構(gòu)單元。
在量子力學(xué)中能夠制備這樣兩個(gè)糾纏的粒子態(tài)，當(dāng)一個(gè)粒子發(fā)生變化，立即在另一個(gè)粒子中反映出來，――不管它們之間相隔多遠(yuǎn)。
量子糾纏指的是兩個(gè)或多個(gè)量子系統(tǒng)之間的非定域非經(jīng)典的強(qiáng)關(guān)聯(lián)。
1982年，法國物理學(xué)家愛倫.愛斯派克特和他的小組成功地完成了微觀粒子“量子糾纏”現(xiàn)象確實(shí)存在的實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛因斯坦的“幽靈”――超距作用的存在，證實(shí)了任何兩種物質(zhì)之間不管距離多遠(yuǎn)，都有可能相互影響，不受四維時(shí)空的約束，是非局域的。
量子糾纏反映了量子理論的基本特性：相干性、或然性和空間非定域性。
這些特性已經(jīng)廣泛應(yīng)用于量子通信中，實(shí)現(xiàn)基于糾纏的量子密鑰分發(fā)、量子秘密共享、密集編碼和隱形傳態(tài)等。
2.4 量子隱形傳態(tài)
量子隱形傳態(tài)是將量子糾纏特性作為通信信道使用，從而實(shí)現(xiàn)任意未知量子態(tài)傳輸?shù)囊环N技術(shù)，它傳輸?shù)牟辉偈墙?jīng)典信息而是量子態(tài)攜帶的量子信息。
量子隱形傳態(tài)示意圖如圖1。
量子隱形傳態(tài)的基本原理，就是對待傳送的未知量子態(tài)與EPR對的其中一個(gè)粒子實(shí)施聯(lián)合Bell基測量，由于EPR對的量子非局域關(guān)聯(lián)性，此時(shí)未知態(tài)的全部量子信息將會“轉(zhuǎn)移”到EPR對的第二個(gè)粒子上，根據(jù)經(jīng)典通道傳送的Bell基測量結(jié)果，對EPR的第二個(gè)粒子的量子態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的幺正變換，使之變?yōu)榕c所傳送的未知態(tài)完全相同的量子態(tài)，從而達(dá)到量子態(tài)的轉(zhuǎn)移。
在傳送過程中，原物始終留在發(fā)送者處，接收者是將別的物質(zhì)單元制備成為與原物完全相同的量子態(tài)，雙方對這個(gè)量子態(tài)一無所知。
經(jīng)典信道傳送的是發(fā)送者的測量結(jié)果，不包含未知態(tài)的任何內(nèi)容。
2.5 量子通信協(xié)議
量子通信協(xié)議是指量子通信的雙方完成通信或服務(wù)所必須遵循的規(guī)則和約定。
量子通信協(xié)議按照通信任務(wù)目標(biāo)可分為隱形傳態(tài)、密集編碼和量子保密通信協(xié)議。
BB84協(xié)議是最早提出的量子保密通信協(xié)議，也是最接近實(shí)用化的量子通信協(xié)議。
BB84協(xié)議示意圖如圖2。
BB84協(xié)議使得兩個(gè)經(jīng)過認(rèn)證的通信雙方在遙遠(yuǎn)的兩地可以連續(xù)地建立密鑰，進(jìn)而通過一次一密密碼本加密協(xié)議實(shí)現(xiàn)安全通信。
它以“海森堡不確定性原理”和“未知量子態(tài)的不可克隆性”的特性為基礎(chǔ)，開辟了密鑰分發(fā)和保密通信的方向。
目前BB84協(xié)議正在向性能穩(wěn)定、高速成碼、網(wǎng)絡(luò)化的產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。
3 量子通信的幾種技術(shù)簡介
3.1 量子信號的產(chǎn)生技術(shù)
量子信號的產(chǎn)生技術(shù)包括糾纏光子信號的產(chǎn)生技術(shù)、單光子信號的產(chǎn)生技術(shù)和連續(xù)變量量子信號的產(chǎn)生技術(shù)。
用光子晶體光纖產(chǎn)生糾纏的技術(shù)，系統(tǒng)有穩(wěn)定、易于集成的優(yōu)點(diǎn)，在未來的中短距離量子通信中，將占主導(dǎo)地位。
目前技術(shù)上較為成熟的弱相干準(zhǔn)單光子源技術(shù)被廣泛用來實(shí)現(xiàn)BB84等量子保密通信協(xié)議。
壓縮態(tài)、糾纏態(tài)、相干態(tài)產(chǎn)生技術(shù)是連續(xù)變量量子信號產(chǎn)生技術(shù)，用來實(shí)現(xiàn)連續(xù)變量量子通信協(xié)議。
3.2 量子信號的調(diào)制技術(shù)
在量子通信中，不同的量子態(tài)資源決定了不同的量子信號調(diào)制方式。
單光子量子信號的調(diào)制常用偏振調(diào)制、相位調(diào)制和頻率調(diào)制，連續(xù)變量量子信號的調(diào)制常用高斯調(diào)制和離散調(diào)制。
3.3 量子信號的探測技術(shù)
在量子通信系統(tǒng)中，接收端中最重要的器件是量子信號探測系統(tǒng)。
單光子探測器屬于量子通信系統(tǒng)中的單光子信號探測技術(shù)，半導(dǎo)體雪崩光電二極管單光子探測器是實(shí)際系統(tǒng)中用得比較多的單光子探測技術(shù)。
連續(xù)變量量子通信是將信息加載到光場的正交振幅和正交相位上的，它不同于單光子只是一個(gè)單純的強(qiáng)度測量，而是需要借助一束本地光進(jìn)行干涉測量。
平衡零拍探測器是專門進(jìn)行光場兩正交分量測量的連續(xù)變量體系的探測技術(shù)。
3.4 量子中繼技術(shù)
由于量子信號的不可克隆性，量子通信無法直接采用經(jīng)典通信中“恢復(fù)――放大”的過程，而非定域的糾纏態(tài)是量子通信的重要資源，利用遠(yuǎn)距離分發(fā)糾纏粒子之間的非局域性可以實(shí)現(xiàn)隱形傳態(tài)、密集編碼等一系列量子通信協(xié)議。
量子糾纏具有可交換性，采用基于糾纏交換的中繼方案可以解決長距離通信的問題。
量子中繼示意圖如圖3。
3.5 量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
在量子通信網(wǎng)絡(luò)中，主要有量子空分交換技術(shù)、量子時(shí)分交換技術(shù)、量子波分交換技術(shù)等。
量子空分交換是通過改變光量子信號的物理傳輸通道來實(shí)現(xiàn)光量子信號的交換;量子時(shí)分交換是在時(shí)間同步的基礎(chǔ)上對光量子信號進(jìn)行時(shí)分復(fù)用而進(jìn)行的交換;量子波分交換是將光量子信號經(jīng)過波分解復(fù)用器、波長變換器、波長濾波器、波分復(fù)用器而進(jìn)行的交換。
量子通信網(wǎng)絡(luò)有三個(gè)功能層面：量子通信網(wǎng)絡(luò)管理層、量子通信控制層和傳輸信道層。
由量子通信控制層進(jìn)行呼叫連接處理、信道資源管理和建立路由，進(jìn)而控制光纖通道建立端到端量子信道，管理層負(fù)責(zé)資源和鏈路等的管理，控制層和管理層的功能由經(jīng)典通信鏈路完成。
4 量子通信的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
目前，量子通信在單光子、量子探測、量子存儲等關(guān)鍵技術(shù)已獲得突破和發(fā)展，各種量子理論體系日趨完善，量子通信技術(shù)已逐步進(jìn)入試點(diǎn)應(yīng)用階段。
當(dāng)今，美國、德國、日本等各國都投入了重金大力研究量子通信技術(shù)，我國也取得了豐碩的成果，在部分領(lǐng)域甚至世界領(lǐng)先，這必將促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。
2012年初，我國中科院士潘建偉帶領(lǐng)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，在合肥建成了國際上首個(gè)規(guī)模化的節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)46個(gè)的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)。
從2012年開始，我國還構(gòu)建了基于量子通信的高安全通信保障系統(tǒng)，在北京已經(jīng)投入永久運(yùn)營，為十八大、2015年9.3閱兵都提供了重要的信息安全保障。
2016年底，北京和上海之間將建成一條全長2000余公里的量子保密通信骨干線路“京滬干線”，它是連接北京、上海的高可信、可擴(kuò)展、軍民融合的廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，主要開展遠(yuǎn)距離、大尺度量子保密通信關(guān)鍵驗(yàn)證、應(yīng)用和示范。
此干線可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程高清量子保密視頻會議系統(tǒng)和其他多媒體跨越互聯(lián)應(yīng)用，也可以實(shí)現(xiàn)金融、政務(wù)領(lǐng)域的遠(yuǎn)程或同城數(shù)據(jù)災(zāi)備系統(tǒng)，金融機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等應(yīng)用。
2016年7月份中國將發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)通訊衛(wèi)星，這標(biāo)志著我國通信技術(shù)的突破性發(fā)展，標(biāo)志著中國同時(shí)在軍用通信領(lǐng)域站在了世界的最前列，之后會陸續(xù)發(fā)射的更多量子通訊衛(wèi)星，就可以建成全球性的量子通信網(wǎng)絡(luò)。
正如潘建偉院士所說量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的發(fā)射，將表明中國正從經(jīng)典信息技術(shù)的跟隨者，轉(zhuǎn)變成未來信息技術(shù)的并跑者、領(lǐng)跑者，量子通信將會盡快走進(jìn)每個(gè)人的生活，就像計(jì)算機(jī)曾經(jīng)做到的一樣，改變世界。
量子通訊衛(wèi)星和“京滬干線”的成功將意味著一個(gè)天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)的形成。
量子通信與傳統(tǒng)的經(jīng)典通信相比，具有極高的安全性和保密性，且時(shí)效性高傳輸速度快，沒有電磁輻射，它的這些優(yōu)點(diǎn)決定了其無法估量的應(yīng)用前景。
通過光纖可以實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，通過中繼器連接實(shí)現(xiàn)城際量子網(wǎng)絡(luò)，通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信，最終構(gòu)成廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。
未來數(shù)年內(nèi)，量子通信將會實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，經(jīng)典通信的硬件設(shè)施并不會被完全取代，而是在現(xiàn)有設(shè)施的基礎(chǔ)上進(jìn)行融合。
在通信發(fā)送端和接收端安裝單光子探測器、量子網(wǎng)關(guān)等量子加密設(shè)備，即可在電話、傳真、光纖網(wǎng)絡(luò)等原有的通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)量子通信，這將大大地提升通信的安全性。
量子通信有望在10到15年之后成為繼電子和光電子之后的新一代通信技術(shù)，這種“無條件安全”的通信方式，將從根本上解決國防、金融、政務(wù)、商業(yè)等領(lǐng)域的信息安全問題。
5 結(jié)束語
展望量子通信的前景，未來能夠形成天地一體化的全球量子通信網(wǎng)絡(luò)，形成完整的量子通信產(chǎn)業(yè)鏈和下一代國家主權(quán)信息安全生態(tài)系統(tǒng)，構(gòu)建基于量子通信安全保障的互聯(lián)網(wǎng)。
對于通信維護(hù)人員來說，就應(yīng)該緊跟時(shí)代的步伐，加快學(xué)習(xí)新技術(shù)、新知識，以適應(yīng)科技發(fā)展的需要，將所學(xué)所知更好地運(yùn)用于我們的實(shí)際工作和生活中。
參考文獻(xiàn)
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