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1、量子力学在5G通信中的应用 摘 要：量子力学的发展已有近一个世纪，在微观领域起着极为重要的作用，而5G通信技术也越来越成为探讨的热门。通过对量子力学与5G通信的发呈现状进行分析，创新性地提出了量子力学在5G通信中的应用方案。 关键词：量子力学；5G通信；量子纠缠态；量子态 中图分类号：TN918 文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2022.11.061 1 量子力学的发展 包括量子场理论在内的量子力学是物理学的一个分支，它是原子和亚原子粒子在小尺度和低能级的自然基本理论。量子力学中存在的物理学，只在小尺寸尺度才有效。量子力学与经典物理学的不同之处在于，能量、动量和其他
2、数量通常限于离散值，物体具有粒子和波的特征，并且状态不简单被知道。 量子力学起源于马克斯普朗克在1900年解决黑体辐射问题和阿尔伯特爱因斯坦1905年的论文，论文中提出了用量子理论来说明光电效应。早期，量子理论在20世纪20年头中期得到了人类深刻的重新相识，后来的理论是以各种特地开发的数学工具来探究的。数学函数波函数供应了关于粒子的位置、动量和其他物理性质的概率幅度的信息。量子理论的重要应用包括量子化学、超导磁体、发光二极管和激光器、晶体管和半导体、医学和探讨成像以及很多说明能量的生物和物理现象。形式上，这些驻留在一个困难的可分别希尔伯特空间，该空间被很好地定义为一个复数的相位因子。换句话说，
3、可能的状态是希尔伯特空间的投影空间中的点，通常称为困难的投影空间。希尔伯特空间的准确性质取决于系统。例如，位置和动量状态的状态空间是平方可积分函数的空间，而单个质子的旋转的状态空间只是2个困难的元素。每个可视察值由最大线性运算符表示为状态空间。可观测值的每个本征状态对应于运算符的特征向量，并且相关联的特征值对应于该本征状态中可视察值的值。假如运算符的频谱是离散的，则可视察到只能获得那些离散的特征值。薛定谔方程作用于整个概率幅度，而不仅仅是其肯定值。而概率幅度的肯定值编码关于概率的信息，其相位编码关于量子态之间干扰的信息。这就产生了量子态的“波状”行为。 2 5G通信的现状分析 METIS是欧盟
4、5G项目，旨在为5G系统奠定基础，并在标准化之前建立共识。METIS针对5G的总体方法建立在现有技术演进的基础上，新的无线电概念得到补充，旨在满意当今无线电接入网络对用例的新的和具有挑战性的需求。这些新的无线电概念的集成将使5G能够支持移动数据量的预期增长，同时扩大移动通信在2022年以后可以支持的应用领域范围。须要探讨为了推动5G探讨方向而确定的方案。此外，本文也将给出满意所识别5G场景要求的技术组件的初始指导。随着移动通信日益增长的流量爆炸，近来毫米波频带中大量未充分利用的频谱越来越多地被关注，作为与目前4G蜂窝网络相比，实现数十到数一百零一倍容量的潜在可行解决方案。从历史上看，毫米波段被
5、解除在细胞运用上，主要是由于对短距离和非视距覆盖问题的担忧。频道测量活动的最新成果以及高级算法和原型的开发，清晰地证明白mmWave带可能的确是下一代蜂窝系统的有价值候选者。对美国和韩国进行了信道测量，并对消声室中的实际自由空间传播测量进行了总结。目前，已有一种新奇的混合波束成型方案及其链路和系统级仿真结果。 3 量子力学的详细应用 “量子5G通信”是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式，是近20年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的探讨领域。光量子5G通信主要基于量子纠缠态的理论，运用量子隐形传态的方式实现信息传递。依据试验，具有纠缠态的2个粒子无论相距多远，只
6、要一个发生改变，另一个也会瞬间发生改变。利用这个特性实现光量子5G通信的过程如下：事先构建一对具有纠缠态的粒子，将2个粒子分别放在通信双方，将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量，则接收方的粒子瞬间发生坍塌，坍塌为某种状态，这个状态与发送方的粒子坍塌后的状态是对称的，然后将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方，接收方依据接收到的信息对坍塌的粒子进行幺正变换，即可得到与发送方完全相同的未知量子态。 量子纠缠态理论。经典通信的平安性和高效性都无法与光量子5G通信同日而语。平安性-量子5G通信绝不会“泄密”，详细体现在以下2个方面：量子加密的密钥是随机的，即使被窃取者截获，也无法得到正确
7、的密钥，因此无法破解信息；分别在通信双方手中具有纠缠态的2个粒子，其中一个粒子的量子态发生改变，另一方的量子态就会随之立即改变，并且依据量子理论，宏观的任何视察和干扰，都会立即变更量子态，引起坍塌，因此窃取者由于干扰而得到的信息已经被破坏，并非原有信息。被传输的未知量子态在被测量之前会处于纠缠态，即同时代表多个状态，例如一个量子态可以同时表示0和1两个数字，7个这样的量子态就可以同时表示128个状态或128个数字：0127，光量子5G通信的这样一次传输，就相当于经典通信方式的128次。可以想象，假如传输带宽是64位或者更高，那么效率之差将是惊人的2，以及更高。 4 总结与展望 量子5G通信以其平安性、高效性和高速传输性受到了探讨人员的广泛关注，在将来的5G通信研发建设中，量子力学将会发挥越来越重要的作用。 参考文献 1王建秋，嵇英华，余信理.量子通信网络平安性探讨J.电子技术，2022. 2徐启建，金鑫，徐晓帆.量子通信技術发呈现状及应用前景分析J.中国电子科学探讨院学报，2022. 编辑：刘晓芳 第5页 共5页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页第 5 页 共 5 页