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1、量子通信原理及應(yīng)用前景 簡(jiǎn)介無(wú)線通信小班討論物聯(lián)工程1102胡標(biāo)傳統(tǒng)通信的缺陷與量子通信現(xiàn)在人們廣泛使用著多種通信方式，這些通信技術(shù)為人類社會(huì)的進(jìn)步發(fā)展提供強(qiáng)大助力，可以說(shuō)沒(méi)有這些通信方式就不會(huì)有今天人類社會(huì)的繁榮局面。但是在這些通信技術(shù)手段為人們帶來(lái)巨大幫助的時(shí)候，卻始終有一個(gè)問(wèn)題難以得到有效解決，那就是通信中的保密問(wèn)題。今天，人類已經(jīng)開(kāi)發(fā)研究出了新的通信技術(shù)，量子通信技術(shù)，其在理論上是可以保證絕對(duì)保密的通信技術(shù)手段。這也是今天我向大家講解介紹的內(nèi)容。傳統(tǒng)通信的缺陷與量子通信傳統(tǒng)的通信技術(shù)包括最原始的諸如烽火等依靠聲光傳播信息的手段，以及現(xiàn)代各種
2、有線無(wú)線通信手段，如光纖，微波通信等等。除開(kāi)信使與直接會(huì)晤這種效率極低下的通信方式外，其余所有的通信方式都無(wú)法真正避免通信內(nèi)容在通信雙方不知情的情況下被竊聽(tīng)者獲取。實(shí)際中人們利用加密的方式傳送信息，發(fā)送者通過(guò)密鑰將需要發(fā)送的信息轉(zhuǎn)化為密文，接收者再通過(guò)密鑰將密文轉(zhuǎn)化為可以直接讀取的信息。傳統(tǒng)通信的缺陷與量子通信然而這種形式的信息傳送也并不安全。首先雙方需要分配密鑰，傳統(tǒng)的信息傳送方式除了效率極低的信使或會(huì)晤外，都無(wú)法避免密鑰的泄露。而且?guī)缀跛械拿艽a都存在被破解的可能，因而需要時(shí)常更換密碼。而現(xiàn)代商業(yè)或航天活動(dòng)中這顯然又面臨著密鑰泄露或密鑰難以甚至
3、無(wú)法傳送的矛盾。傳統(tǒng)通信的缺陷與量子通信現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)商業(yè)上常用的是非對(duì)稱密鑰。發(fā)送方的密鑰是公開(kāi)的，而接收方的密鑰則只有接收者知曉。該體制的安全性是基于大數(shù)因式分解這樣一類不易計(jì)算的單向函數(shù)。比如1977年,美國(guó)出了一道解密題,其解密需要將一個(gè)129位數(shù)分解成一個(gè)64位和一個(gè)65位素?cái)?shù)的乘積,估計(jì)用當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)需要用4×1016年。但是隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的不斷發(fā)展，這樣的密碼機(jī)制變得越來(lái)越不安全。上面的那道解密題到了1994年,只用8個(gè)月就能解出。尤其是Shor量子算法證明,采用量子計(jì)算機(jī)可以輕而易舉地破譯這種公開(kāi)密鑰體系。目前世界上只存在一種被證明無(wú)
4、法破解的密碼，Vernam密碼體制，但是這事實(shí)上是一種一次性密碼，且密鑰長(zhǎng)度與密文長(zhǎng)度相等。這種密碼的實(shí)際使用需要傳送的絕對(duì)保密性。傳統(tǒng)通信的缺陷與量子通信傳統(tǒng)通信的缺陷與量子通信隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力的飛速發(fā)展，現(xiàn)在的常用密碼體制終究有一天會(huì)變得無(wú)密可言。解決現(xiàn)在的通信保密難題的途徑只有兩條，即確保通信內(nèi)容不被己方不知的情況下被竊聽(tīng)，或是使用Vernam體制密碼。然而這些都是傳統(tǒng)的通信手段所無(wú)法做到的。但是，量子通信卻可以做到這些。目前，量子通信尚無(wú)嚴(yán)格的定義。物理上，量子通信可以被理解為在物理極限下，利用量子效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的高性能通信。信息學(xué)上，我
5、們則認(rèn)為量子通信是利用量子力學(xué)的基本原理（如量子態(tài)不可克隆原理和量子態(tài)的測(cè)量塌縮性質(zhì)等）或者利用量子態(tài)隱形傳輸?shù)攘孔酉到y(tǒng)特有屬性，以及量子測(cè)量的方法來(lái)完成兩地之間的信息傳遞。量子通信原理簡(jiǎn)介量子通信的安全性源于量子力學(xué)的基本原理。一是不確定性原理，也稱測(cè)不準(zhǔn)原理，即不可能同時(shí)精確測(cè)量?jī)蓚€(gè)非對(duì)易的物理量，如量子的坐標(biāo)和動(dòng)量。二是測(cè)量塌縮原理，即對(duì)量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量會(huì)不可避免地使該量子態(tài)塌縮到某一個(gè)本征態(tài)上，這意味著對(duì)量子態(tài)進(jìn)行測(cè)量都會(huì)留下痕跡。三是不可克隆定理，即一個(gè)未知的量子態(tài)是無(wú)法被精確克隆的。此外還有量子糾纏態(tài)，相互糾纏的兩個(gè)粒子無(wú)論被分離多遠(yuǎn)，一
6、個(gè)粒子狀態(tài)的變化都會(huì)立即使得另一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象量子通信原理簡(jiǎn)介量子隱形傳態(tài)所謂量子隱形傳態(tài)利用了糾纏態(tài)粒子之間的特殊“心靈感應(yīng)”，即不論相隔多遠(yuǎn)，只要兩個(gè)粒子仍然保持著糾纏態(tài)，其中一個(gè)發(fā)生了變化，另一個(gè)一定發(fā)生相應(yīng)的變化。1993年，Bennett等來(lái)自四個(gè)國(guó)家的六位科學(xué)家演示了第一種量子隱形傳態(tài)方案，其過(guò)程如下Alice與Bob分別擁有一對(duì)糾纏粒子對(duì)2,3中的2與3.Alice要向Bob發(fā)送消息，Alice對(duì)某粒子1的當(dāng)前狀態(tài)未知，她將聯(lián)合測(cè)量粒子1與2。因?yàn)闇y(cè)量，所以粒子1與2發(fā)生了變化，由于2與3是糾纏態(tài)粒子，于是3也會(huì)發(fā)生相應(yīng)
7、的變化。Alice通過(guò)經(jīng)典信道將測(cè)量結(jié)果告訴Bob，Bob對(duì)3進(jìn)行一系列操作將能得到粒子1的最初狀態(tài)。量子通信原理簡(jiǎn)介量子隱形傳態(tài)需要說(shuō)明的是，Alice處的粒子1失去其測(cè)量前的狀態(tài)，而遠(yuǎn)在Bob處的某粒子則獲得了粒子1的初始狀態(tài)，該過(guò)程的凈結(jié)果是粒子1的狀態(tài)未進(jìn)過(guò)物質(zhì)傳遞，轉(zhuǎn)移到了Bob處。粒子2變化的同時(shí)粒子3也會(huì)發(fā)生變化，實(shí)驗(yàn)證明糾纏態(tài)粒子之間的反應(yīng)速度>107C，然而量子的隱形傳態(tài)需要經(jīng)典信道的輔助傳送測(cè)量結(jié)果，其上的時(shí)間消耗與Bob處的操作時(shí)間決定了量子隱形傳態(tài)不可能超光速。量子通信原理簡(jiǎn)介概率隱形傳態(tài)在Bennett等人提出的標(biāo)準(zhǔn)量子隱
8、形傳態(tài)方案中,采用最大糾纏態(tài)作為量子通道來(lái)傳送未知量子態(tài),隱形傳態(tài)的成功率必定會(huì)達(dá)到100%,但是在實(shí)際中由于量子態(tài)和周圍
