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1、量子通信技术(东南大学物理系 1008218)【摘要】量子通信是量子信息中的一个重要分支而其中最典型的量子通信技术是量子隐形传态和量子密码通信，文章介绍了最近取得较快发展的量子通信技术的历史，量子通信技术的理论框架，同时也涉及了这个领域的实验研究进展【关键词】量子密码；量子通信；量子隐形传态；量子密码通信The Technology of Quantum communication(Southeast University，10008218)【Abstract】Quantum information is an important branch of quantum communication
2、.The most typical quantum communication technology is quantum teleportation,and quantum cryptography,the article doesnt describe the history and theoretical framework of the technology of quantum communication,but also involves experimental research in this area.【Keywords】Quantum cryptography;quantu
3、m communication;quantum teleportation;quantum cryptography l 量子通信发展史1993 年，C.H.Bennet 提出了量子通信的概念，同年，6 位来自不同国家的科学家，提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案：将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方，把另一个粒子制备到该量子态上，而原来的粒子仍留在原处。其基本思想是：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息，接收者在获得这两种信息后，就可以制备
4、出原物量子态的完全复制品。该过程中传送的仅仅是原物的量子态，而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的粒子处于原物的量子态上。在这个方案中，纠缠态的非定域性起着至关重要的作用。量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义，而且可以用量子态作为信息载体，通过量子态的传送完成大容量信息的传输，实现原则上不可破译的量子保密通信。1997 年，在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的状态，作为信息
5、载体的光子本身并不被传输。2 量子叠加与量子纠缠名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 5 页 -2.1 量子叠加(quantum superposition)一个量子系统包含若干粒子，这些粒子按照量子力学的规律运动，称此系统处于态空间(常用 Hilbert 空间来表述)的某种量子态。量子信息处理研究以量子态为信息载体的信息论与技术，量子系统与经典系统的一个最大区别是它可以处于多个不同态的叠加态。经典信息系统以一个位或比特(bit)作为信息单元。从物理角度讲比特是个两态系统它可以制备为两个可识别状态中的一个如是或非，真或假，0 或 1。在量子信息系统中，常用量子位或量子比
6、特表示信息单元，量子比特是两个逻辑态的叠加态。用量子态来表示信息是量子信息的出发点有关信息的所有问题都必须采用量子力学理论来处理，信息的演变遵从薛定谔方程信息的传输为量子态在量子通道中的传送，信息的处理(计算)是量子态的幺正变换，信息的获取则是对量子态实行量子测量2.2 量子纠缠(quantum entanglement)量子纠缠（quantum entanglement），又译量子缠结，是一种量子力学现象，其定义上描述复合系统（具有两个以上的成员系统）之一类特殊的量子态，此量子态无法分解为成员系统各自量子态之张量积。具有量子纠缠现象的成员系统们，在此拿两颗以相反方向、同样速率等速运动之电子为
7、例，即使一颗行至太阳边，一颗行至冥王星，如此遥远的距离下，它们仍保有特别的关联性，亦即当其中一颗被操作（例如量子测量）而状态发生变化，另一颗也会即刻发生相应的状态变化。如此现象导致了鬼魅似的远距作用之猜疑，仿佛两颗电子拥有超光速的秘密通信一般，似与狭义相对论中所谓的局域性相违背。这也是当初阿尔伯特爱因斯坦与同僚玻理斯波多斯基、纳森罗森于1935 年提出以其姓氏字首为名的爱波罗悖论来质疑量子力学完备性之缘由。量子纠缠涉及实在性、定域性、隐变量以及测量理论等量子力学的基本问题，并在量子计算和量子通信的研究中起着重要的作用。多体系的量子态的最普遍形式是纠缠态，而能表示成直积形式的非纠缠态只是一种很特
8、殊的量子态。纠缠态作为一种物理资源，在量子信息的各方面，如量子隐形传态、量子密钥分配、量子计算等都起着重要作用。然而，受实验条件限制和不可避免的环境噪声的影响，制备出来的纠缠态并非都是最大纠缠态，另一方面，纯纠缠态受环境的消相干作用也会退化成为混合态。使用这种混合纠缠态进行量子通信和量子计算将会导致信息失真。为达到更好的量子通信或量子计算效果，需要通过纠缠纯化技术将混合纠缠态纯化成纯纠缠态或者接近纯纠缠态。因此，如何提纯高品质的量子纠缠态是目前量子信息研究中的重要课题。3 量子隐形传态(quantum teleportation)1993 年 Bennet 等在 PRL上发表一篇开创性的论文，
9、,开创了研究量子隐形传态的先河.量子隐形传态就是指将甲地的某一粒子的未知量子态在乙地的另一粒子上构建出来.由于量子力学的不确定性原理,我们不能精确地将原量子态的所有信息全部提取出来,只能将原量子态的所有信息分为经典信息和量子信息两部分,它们分别由经典通道和量子通道传送到乙地,根据这些信息,在乙地就能够利用相应的幺正变换构造出原量子态的全貌.由于量子隐形传态的奇妙特性和它潜在的应用前景,最近几年受到了广泛关注,在理论和实验上都已经取得了很大的进展.其基本思想是：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。传送者对待传送的未知量子态与EPR对的其中一个粒子
10、施行联合 Bell 基测量,由于 EPR对的量子非局域性,此时未知态的全部量子信息将会存储到EPR对的第二个粒子上,接收者只要根据传送者通过经典通道传送的联合测量结果,对 EPR对的第二个粒子的量子态施行适当的幺正变换,就可使这个粒子处于与待传送的未知态完全相同的名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 5 页 -量子态,即在 EPR对的第二个粒子上实现了未知态的重现.几点说明(1)粒子的量子信息的传递可以发生在任意的时空之间,因为量子纠缠具有非局域性.(2)联合测量后接收方的粒子的量子态仍然处于混合态,也就是说,联合测量本身对接收者来说,并不给出任何关于原粒子态的信息.原
11、粒子态的重建应该归功于EPR 态的纠缠非局域关联,经典通讯和局域的幺正变换.(3)量子隐形传态不存在超光速通讯问题.因为没有通过经典通道传送的经典信息,隐形传态将不可能成功.而经典通道的通讯速度必然要受到相对性原理的限制,即传送速度不可能超过光速.(4)量子隐形传态不违背符合量子力学的不可克隆定理.因为发送者进行Bell基测量后,|1 已被破坏掉了,一次量子隐形传态只能够使原粒子的量子态在另外的一个粒子上重新构建出来.(5)发送者和接收者在整个传输过程中都不需要知道他们所传输的或者接收的量子态的任何信息,因而量子隐形传态提供了操控量子态而不破坏量子态的可能性.量子隐形传态可靠性高,能够节省资源
12、,降低通信的复杂度.它可以用量子态作为信息载体,通过量子态的传送完成大容量信息的传输,实现原则上不可破译的量子保密通信,以及以此为基础实现一些逻辑门的操作等.如果量子隐形传态的技术得以实现,它将在量子信息和量子计算等方面获得重要应用.当前,人们设想的量子通信网络是采用光子(飞行的量子比特)来传送量子信息,采用原子(静止的量子比特)来存储和处理量子信息,这个领域仍处在单元技术的基础研究阶段,有许多关键性问题亟待解决.4 量子密码通信(quantum cryptography communication)保密通信不仅在军事、国防等领域发挥着独特的作用，而且随着当今的经济发展和信息高速公路的全面展开
13、，在商业贸易、网络通信等方面都需要通过保密通信来防范非法入侵者的窃听如何提高保密的程度就尤为重要密码的研究与使用是一个非常古老、广泛的问题量子密码学的理论基础是量子力学，而以往密码学的理论基础是数学。与传统密码学不同，量子密码学利用物理学原理保护信息。量子密码体系采用量子态作为信息载体，经由量子通道在合法的用户之间传送密钥。量子密码的安全性由量子力学原理所保证。所谓绝对安全性是指：即使在窃听者可能拥有极高的智商、可能采用最高明的窃听措施、可能使用最先进的测量手段，密钥的传送仍然是安全的。其基本思想就是将要传送的信息采用某种方式进行干扰，这样只有合法用户才能从中恢复出原来的信息，而非法用户无法理
14、解这些被干扰了的信息当通信双方共同掌握一组比特(bit)序列时，这一目标就可以实现这组比特序列象钥匙一样，本身并不包含任何信息，但有使用价值，在密码学中，一般称为密钥秘密通信依赖于密钥，密钥是现代加密体制的关键如果发送者和接收者通信双方拥有他们自己才知道的私人密钥，就可以进行秘密通信。通常，量子通信系统由量子态发生器、量子通道和量子接收设备组成。它是光纤通信技术的一种，只不过其量子通道利用光的量子物理特性，让一个个光子传输0 和 1 的信息，量子通信技术所传输的信息是分为经典还是量子两类，前者主要用于量子密钥的传输，开发无法破译的密码；后者则是量子瞬间传送，一种令人难以置信但在量子世界里确实可
15、行的瞬间远距离 实物 传输技术。实现单光子密码通信，可以试想成Alice 向 Bob 逐个地、随机地发出互不正交的两种量子状态水平偏振单光子及45O 偏振单光子，并规定水平偏振码值为0，45O 偏振码值为1。Eve 要获取信息，必须截取并测量Alice 和 Bob 的通信。Eve 有 50%的机会猜对Alice 发送的是哪一种偏振光子，此时Eve 能正确测出码值。Eve 还有 50%机会猜名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 5 页 -错码值，即使在猜错时仍由50%机会得到正确码值，这样合起来Eve 测得正确的码值机会有 75%。Eve 测得后，从Alice 向 Bob
16、 发送的量子态遭到破坏，Eve 为了掩饰窃听，需要伪装 Alice 向 Bob 发出的量子态，由于Eve 只有 75%的正确码值，因而Eve 向 Bob 发送的单光子状态将有25%的机会错误，如此高的误码率(QBER)将容易被Alice 及 Bob 发现。他们会舍弃这次通信，以维护通信安全。5 量子通信的展望(quantum teleportation)量子通信具有广阔的发展前景。可以设想，在未来世界中，地面站与地面站之间，地面站与卫星之间，卫星与卫星之间乃至空间站之间均可以连接起来，用光量子密码通信技术，使全球乃至整个太空都成为保密通信网络世界。与量子密码通信相并列的另一种通信，称为混沌密码
17、通信。混沌 现象具有奇特的特性：对参数和初始条件极其敏感，参数和初始条件的极微小变化都将使结果大相径庭，而且不可预测。正是这些特性使人们想到了保密通信想到了密码学。由此 混沌 被引入了密码学领域。当然，混沌在保密通信中的应用，目前仍处于起步阶段。最早是由英国数学家RMatthews 在 1989 年提出的。国内在这方面也做了不少工作，比如电子科技大学、复旦大学、四川大学、中国科学院技术物理研究学等单位。混沌保密 能否成为一种实用的新保密体制，还有待于进一步研究探索。6 结束语量子隐形传态和量子密码通信是两种典型的量子通信技术，不管从理论上还是实验上都己形成基本的框架 但是我们也应当看到，目前在
18、这两个方面还有许多亟待解决的问题在量子隐形传态方面，比如如何有效测量Bell 态的问题研究实际可行的量子处理器的问题，如何使纠缠态不要受环境的影响，使传送的量子信息尽可能少地泄露到环境中去，提高保真度的问题在量子密码通信中，比如 如何增加量子密钥传输距离如何研制出红外单光子计数器及单光子光源，还有量子秘密共享、网络量子密码、身份认证、数字签名以及最近提出的量子指纹等 尽管如此，这将无损于量子通信技术的发展势头寻求更合理和更完备的量子通信方案将会对量子信息的处理和控制、量子计算机、量子保密通信等起到极大的推动作用我们相信 不久的将来，作为最典型的量子通信技术的发展与应用会有更加辉煌灿烂的前景!参
19、考文献：1 郭光灿，苏晓琴 两种典型的量子通信技术，2005 年 3 月，广西大学学报（自然科学版）2 鲁韦昌，量子密码通信研究进展，重庆通信学院计算机科学与技术教研室3 李传锋，郭光灿量子信息研究进展J物理学进展，2000，2O(4)：4o7-4314 曹卓良，董萍，薛正远量子隐形传态的研究进展安徽大学物理与材料科学学院安徽大学学报（自然科学版）2006 年 5 月5 编者：杨伯君量子通信基础出版社:北京邮电大学出版社6 郭光灿爱因斯坦的幽灵-量子纠缠之谜7 马瑞霖量子密码通信科学出版社8 李承祖，黄明球，陈平形等量子通信和量子计算M 长沙：国防科技大学出版社，2000118名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 5 页 -9 陈鲁生，沈世镒现代密码学 M，北京：科学出版社2002.7：P.41-63，P.69-78 10 曾贵华，王新梅,量子保密通信及其发展J，通信保密，1999(3)11 李枫，曹秀英，量子密码技术J，通信技术，2001(08)12 谭庆贵，胡渝，量子通信及其应用前景J，光通信技术，2004(09)13 熊红凯施惠昌，戴善荣通信密码学前瞻：量子密码技术14 池颧，章献民，朱华飞，陈抗生量子密码原理、应用和研究进展J，光电子激光，2001(01)名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 5 页 -