量子通信的發(fā)展與應(yīng)用

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1、量子通信的發(fā)展與應(yīng)用量子通信是伴隨著信息技術(shù)和物理學(xué)領(lǐng)域?qū)α孔訉W(xué)的不斷研究而發(fā)展起來的。它的發(fā)展歷史僅有二十多年，但由于其信息傳輸?shù)母咝砸约敖^對的安全性而被廣泛應(yīng)用。本文主要研究該項技術(shù)的發(fā)展歷史、幾種主要的量子通信技術(shù)原理及特點等。引言：量子通信是指利用量子糾纏效應(yīng)進行信息傳遞的一種新型的通訊方式。這一新型通信技術(shù)是伴隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展和物理學(xué)領(lǐng)域的不斷研究而發(fā)展起來的，是近二十年發(fā)展起來的新型交叉學(xué)科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。近年來這門學(xué)科已逐步從理論走向?qū)嶒灒云涮赜械母咝院桶踩缘忍攸c而被軍事等領(lǐng)域廣泛研究應(yīng)用，并向?qū)嵱没l(fā)展。同

2、時，隨著社會科技和經(jīng)濟的不斷發(fā)展，普通民眾對信息傳輸?shù)囊笠踩找嫣岣?，對信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性、安全性要求也不斷提高，因此也急需這一技術(shù)來作為對現(xiàn)有通信手段的補充和優(yōu)化，以不斷提高信息傳輸?shù)馁|(zhì)量。這種無論是來自軍事等特殊領(lǐng)域還是來自普通民眾等普通領(lǐng)域?qū)π畔鬏數(shù)母咭蠖即偈怪孔油ㄐ偶夹g(shù)不斷研究與發(fā)展，以滿足人們不斷嚴苛的通信需求。一、量子通信的發(fā)展概述量子通信技術(shù)是在量子力學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。量子力學(xué)誕生于1926年，是人類對微觀世界加以認識的理論基礎(chǔ)之一。量子力學(xué)和相對論之間的不相容性在1935年被愛因斯坦、波多爾基斯和羅森論證后，約翰?貝爾于1964年提出貝

3、爾理論，阿斯派克等人于1982年證明了超光速響應(yīng)的存在。在這一基礎(chǔ)上，美國科學(xué)家貝內(nèi)特于1993年首次提出了量子通信的概念。這一概念的提出，使愛因斯坦的量子糾纏效益開始真正發(fā)揮其威力。自量子通信概念提出以后，6位來自不同國家的科學(xué)家，基于量子糾纏理論，提出了利用經(jīng)典與量子相結(jié)合的方法實現(xiàn)量子隱形傳送的方案，這是量子通信最初的基本方案。量子隱形傳態(tài)不僅在物理學(xué)領(lǐng)域?qū)θ藗冋J識與揭示自然界的神秘規(guī)律具有重要意義，而且可以用量子態(tài)作為信息載體，通過量子態(tài)的傳送完成大容量信息的傳輸，實現(xiàn)原則上不可破譯的量子保密通信。1997年在奧地利留學(xué)的中國青年學(xué)者潘建偉與荷蘭學(xué)者波

4、密斯特等人合作，首次實現(xiàn)了未知量子態(tài)的遠程傳輸。這是國際上首次在實驗上成功地將一個量子態(tài)從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實驗中傳輸?shù)闹皇潜磉_量子信息的“狀態(tài)”，作為信息載體的光子本身并不被傳輸。此后經(jīng)過二十多年的發(fā)展，量子通信這門學(xué)科已逐步從理論走向?qū)嶒?，并向?qū)嵱没l(fā)展，主要涉及的領(lǐng)域包括：量子密碼通信、量子遠程傳態(tài)和量子密集編碼等。二、量子通信技術(shù)簡介量子通信即指利用量子糾纏效應(yīng)進行信息傳遞的一種新型的通訊方式。量子是不可分的最小能量單位，“光量子”即為光的最小能量單位。量子通信的理論基礎(chǔ)是量子糾纏。在量子世界中，存在著一種“糾纏”效應(yīng)，所謂量子糾纏指的是兩

5、個或多個量子系統(tǒng)之間存在非定域、非經(jīng)典的強關(guān)聯(lián)。這種“糾纏”效應(yīng)能夠在兩個完全相同的某量子態(tài)粒子之間建立某種聯(lián)系，當(dāng)其中一個的狀態(tài)發(fā)生變化時，另一個也會發(fā)生相同的變化，而且這種變化與時間和空間無關(guān)。另外由于對粒子的任何測量都會導(dǎo)致其量子態(tài)的變化，所以同時這種變化時不可能被第三者所知獲的。利用量子的糾纏效應(yīng)，我們可以進行絕密和瞬時的通信。因此具有極大的研究價值。量子密碼通信原理是基于“海森堡測不準”原理的發(fā)展的。在量子物理學(xué)中“海森堡測不準”原理表明，如果人們開始準確了解到基本粒子動量的變化，那么也就開始喪失對該粒子位置變化的認識。所以如果使用光去觀察基本粒子，

6、照亮粒子的光的行為都會使之改變路線，從而無法發(fā)現(xiàn)該粒子的實際位置。因此對傳輸光子線路的竊聽會破壞原通訊路線之間的相互聯(lián)系，通訊會被終端。另外還有“單量子不可復(fù)制”定理，這是上述原理的推論，是指在不知道量子狀態(tài)的情況下復(fù)制單個量子是不可能的，因為要復(fù)制單個量子必須先做測量，而測量必然會改變量子狀態(tài)。根據(jù)這兩個原理，即使量子密碼不幸被獲取，也會因測量過程中對量子狀態(tài)的改變而得到一些幾乎無意義的信息。量子遠程傳態(tài)是經(jīng)由經(jīng)典通道和量子通道傳送未知量子態(tài)。通俗來講就是將甲地的某一粒子的未知量子態(tài)在乙地的另一粒子上還原出來。因量子力學(xué)的不確定原理和量子態(tài)不可克隆原理，限制

7、人們將原量子態(tài)的所有信息精確地全部提取出來，因此必須將原量子態(tài)的所有信息分為經(jīng)典信息和量子信息兩部分，它們分別由經(jīng)典通道和量子通道送到乙地，根據(jù)這些信息，在乙地構(gòu)造出原量子態(tài)的全貌。但這一過程并不傳輸任何的能量或物質(zhì)，只是傳輸一種量子態(tài)。量子密集編碼是用量子通道傳送經(jīng)典比特，即使用量子糾纏現(xiàn)象可以實現(xiàn)只傳送一個量子比特，而傳送兩個比特的經(jīng)典信息。具體方法是信息的傳送者(Alice)和接受者(Bob)各擁有處于最大糾纏態(tài)中的一個粒子，Alice可以對她手中的粒子施加四種可能的幺正變換以編碼兩個比特的經(jīng)典信息，由于兩個粒子處于糾纏態(tài)，對一個粒子的任何操作都會對另一

8、個粒子產(chǎn)生影響，引起另一個粒子的態(tài)發(fā)生