淺談量子通信和其應(yīng)用前景

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1、淺談量子通信和其應(yīng)用前景由于以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)應(yīng)用即將達(dá)到物理極限，以量子效應(yīng)為基礎(chǔ)的量子通信具有高效率和絕對安全等特點(diǎn)，是近二十年來國際上量子物理和信息科學(xué)的研究熱點(diǎn)，其應(yīng)用方面前景廣闊。1?量子通信的基本原理及發(fā)展量子是對原子、電子、光子等物質(zhì)基本單元的統(tǒng)稱。量子通信(QuantumTeleportation)是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通信方式，是量子論和信息論相結(jié)合的新研究領(lǐng)域。量子通信主要涉及：量子密碼通信、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等。1.1量子通信的起源量子通信起源于

2、19世紀(jì)20年代的“量子糾纏”。在量子力學(xué)中，有共同來源的兩個(gè)微觀粒子之間存在著某種糾纏關(guān)系，不管它們被分開多遠(yuǎn)，只要一個(gè)粒子發(fā)生變化，就能立即影響到另外一個(gè)粒子，即兩個(gè)處于糾纏態(tài)的粒子無論相距多遠(yuǎn)，都能"感知”和影響對方的狀態(tài)，類似于人類的“心靈感應(yīng)”。值得一提的是，盡管愛因斯坦最早注意到微觀世界中這一現(xiàn)象的存在，卻不愿意接受它，并把它斥之為"幽靈般的超距作用(spookyactionatadistance)",認(rèn)為在量子力學(xué)的詮釋背后一定有著更根本的規(guī)律，它們才能正確、全面地解釋量子現(xiàn)象。1.2量子通信

3、的雛形量子通信的概念是美國科學(xué)家貝內(nèi)特(C.H.Bennett)于1993年提出，即是由量子態(tài)攜帶信息的通信方式，利用光子等基本粒子的量子糾纏原理實(shí)現(xiàn)保密通信過程。量子通信的概念提出后，有6位來自不同國家的科學(xué)家基于量子糾纏理論，提出了利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)絡(luò)等傳統(tǒng)信道與量子糾纏技術(shù)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)量子隱形傳送的方案，即將某個(gè)粒子的未知量子態(tài)傳送到另一個(gè)地方，把另一個(gè)粒子制備到該量子態(tài)上，而原來的粒子仍留在原處，這就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(rèn)識與揭示自然界的神秘規(guī)律具有重

4、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(shí)現(xiàn)原則上不可破譯的量子保密通信。1.3量子通信的現(xiàn)狀目前對量子通信的理論方案和實(shí)驗(yàn)研究，主要集中于利用光纖信道和點(diǎn)對點(diǎn)的陸地?zé)o線光信道。在標(biāo)準(zhǔn)光纖信道中，2007年6月，一個(gè)由奧地利、英國、德國研究人員組成的小組，在量子通信研究中創(chuàng)造了通信距離144公里的紀(jì)錄。在點(diǎn)對點(diǎn)通信上，2008年，在《新物理學(xué)》(NewJournalofPhysics)雜志上，一支意大利和奧地利科學(xué)家小組宣布，他們首次識別出從地球上空1500公里處的人造衛(wèi)

5、星上反彈回地球的單批光子，實(shí)現(xiàn)了太空絕密傳輸量子信息的重大突破。在多點(diǎn)通信上，2009年9月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)，建成了3節(jié)點(diǎn)鏈狀16公里的自由空間量子信道，并在此基礎(chǔ)上建成了世界上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，首次實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)語音量子保密通信，在23km的自由空間信道中，實(shí)現(xiàn)了基于單光子的量子密鑰分配；在600m的自由空間中實(shí)現(xiàn)了基于糾纏光子對的量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)。如果按照這種速度發(fā)展下去，量子通信預(yù)計(jì)在2020年之前就可以進(jìn)入實(shí)用。2?量子通信的主要特點(diǎn)量子通信與成熟的傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，具有

6、以下主要特點(diǎn)：一是保密性強(qiáng)。量子密碼通信其實(shí)不在于密碼通信本身,量子密碼技術(shù)不是用于傳輸密文，而是用于建立傳輸密碼本。根據(jù)海森伯不確定性原理和量子不可克隆的特點(diǎn)，信息的量子比特或量子位一經(jīng)檢測，就會產(chǎn)生不可還原的改變，用量子位傳遞加密信息，若在到達(dá)預(yù)定接收者途中被竊取，預(yù)定接收者肯定能夠發(fā)現(xiàn)。再加上量子通信采用的是''一次一密”的加密方式，且絕對不會重復(fù)使用，確保了通信的保密安全。二是隱蔽性高。量子通信利用單量子糾纏現(xiàn)象，使光子、電子甚至是原子之間能相互影響（制約），從而傳遞信息。當(dāng)其中的一個(gè)量子發(fā)送信息時(shí)

7、，它本身并不移動，也不用借助其他媒介，另一個(gè)相關(guān)量子自然會接收到這個(gè)信息，空間距離和中間介質(zhì)將不再成為通信的障礙。由于量子通信過程不存在任何電磁輻射，無論現(xiàn)有的無線電探測系統(tǒng)性能如何先進(jìn)，對量子通信這種完全無“電磁”的通信目標(biāo)，也是無能為力的。三是應(yīng)用性廣。由于量子通信過程與傳播媒質(zhì)無關(guān)，傳遞的過程不會被任何障礙阻隔，甚至量子隱形傳態(tài)過程中可穿越大氣層，所以說量子通信的應(yīng)用非常廣泛，它既可以在太空中進(jìn)行通信，又可以在海底等惡劣條件下通信，還可以在光纖等介質(zhì)中進(jìn)行信息“傳遞”。應(yīng)用到衛(wèi)星通信、深海通信、太空通

8、信和光纖通信等領(lǐng)域的前景廣闊。四是時(shí)效性高。由于量子通信時(shí)延為零，可以實(shí)現(xiàn)超光速通信，將極大地提高通信速度；量子通信具有空間遠(yuǎn)距離、大容量、易組網(wǎng)等特點(diǎn)，可以用來構(gòu)筑高速、大容量的通信網(wǎng)絡(luò)，用于高清晰度圖像、大容量、超高速數(shù)據(jù)的傳輸，便于建立量子因特網(wǎng)。3.量子通信的應(yīng)用前景3.1建立全新衛(wèi)星通信網(wǎng)由于單光子在現(xiàn)在的硅光纖和陸上自由空間中的傳輸距離受到了限制，使量子通信的距離目前只有百余公里，無法實(shí)現(xiàn)全球范圍意義