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1、淺析量子通信技術的發(fā)展烏魯木齊城市軌道集團有限公司【摘要】量子通信技術作為一種新興的通信技術，在保密性、通信距離以及通信容量這幾個方面具有優(yōu)勢。木文主要談談量子通信的幾種技術及發(fā)展?！娟P鍵詞】量子通信技術發(fā)展隨著科技發(fā)展，信息技術的進步面臨嚴重問題。摩爾定律告訴我們硅芯片的性能每18?24個月提升一倍，集成電路容納的元器件數(shù)目12個月也將增加一倍。盡管現(xiàn)在增加速度放緩，但隨著半導體晶體管的尺寸接近納米級，元器件的間距無限縮小、大小接近分子水平，其物理、化學特性將發(fā)生質(zhì)變不能保證集成電路的正常工作，摩爾
2、定律將走到盡頭。與此同時，信息網(wǎng)絡安全問題也日顯突出。通過對信息加密，可解決竊聽、黑客攻擊等問題，但隨著信息技術的發(fā)展，計算能力大幅度提高，必定存在一種譯碼技術可以破解復雜的密碼。美國戰(zhàn)略和國際問題研究中心發(fā)布數(shù)據(jù)表示網(wǎng)絡犯罪每年給全球帶來高達4450億美元的經(jīng)濟損失，信息安全在國防安全、商業(yè)機密等方面的重要性就更加突出了。1量子信息的基木概念1.1量子量子是構成物質(zhì)的最基木單元，是能量的最基木攜帶者，其基木特征是不可分割性。1.2量子比特量子比特(quantumbit,簡寫為qubit或qbit),
3、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)，還可能處于這兩個態(tài)的疊加態(tài)。量子比特的實現(xiàn)最常采用的是以光信號為載體，還可以是電子、原子核、超導線路和量子點等載體。光信號主要包括單光了和連續(xù)變量。單光了可以用垂肓偏振和45°偏振表示量了比特0>,用水平偏振和135°偏振表示量子比特l>；，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量的取值來表示量子比特。1.3量子糾纏糾纏是量子粒子之間
4、的連接，是宇宙的結構單元。在量子力學中能夠制備這樣兩個糾纏的粒子態(tài)，當一個粒子發(fā)生變化，立即在另一個粒子中反映出來，——不管它們之間相隔多遠。量子糾纏指的是兩個或多個量子系統(tǒng)之間的非定域非經(jīng)典的強關聯(lián)。1.4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，從而實現(xiàn)任意未知量子態(tài)傳輸?shù)囊环N技術，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)的基本原理，就是對待傳送的未知量子態(tài)與EPR對的其中一個粒子實施聯(lián)合Bell基測量，由于EPR對的量子非局域關聯(lián)性，此吋未知態(tài)的全部量子信息將
5、會“轉移”到EPR對的第二個粒子上，根據(jù)經(jīng)典通道傳送的Bell基測量結果，對EPR的第二個粒子的量子態(tài)進行相應的幺正變換，使之變?yōu)榕c所傳送的未知態(tài)完全相同的量子態(tài)，從而達到量子態(tài)的轉移。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)送者的測量結果，不包含未知態(tài)的任何內(nèi)容。1.5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)議按照通信任務目標可分為隱形傳態(tài)、密集編碼和量子保
6、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，也是最接近實用化的量子通信協(xié)議。BB84協(xié)議示意圖如圖loBB84協(xié)議使得兩個經(jīng)過認證的通信雙方在遙遠的兩地可以連續(xù)地建立密鑰，進而通過一次一密密碼本加密協(xié)議實現(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，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)絡化的產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。2量子通信的幾種技術簡介2.1量子信號的產(chǎn)生技術量子信號的產(chǎn)生技術包括糾纏光子信號的產(chǎn)生技術、單光子信號的產(chǎn)生技術
7、和連續(xù)變量量子信號的產(chǎn)生技術。用光子晶體光纖產(chǎn)生糾纏的技術，系統(tǒng)有穩(wěn)定、易于集成的優(yōu)點，在未來的中短距離量子通信中，將占主導地位。目前技術上較為成熟的弱相干準單光子源技術被廣泛用來實現(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)生技術是連續(xù)變量量子信號產(chǎn)生技術，用來實現(xiàn)連續(xù)變量量子通信協(xié)議。2.2量子信號的調(diào)制技術在量子通信中，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。2.3量子信號的探測技
8、術在量子通信系統(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，半導體雪崩光電二極管單光子探測器是實際系統(tǒng)中用得比較多的單光子探測技術。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單純的強度測量，而是需要借助一束本地光進行干涉測量。平衡零拍探測器是專門進行光場兩正交分量測量的連續(xù)變量體系的探測技術。2.4量子中繼技術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
