量子通信1

量子通信 摘  要 量子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。量子通讯是近二十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研究领域。它与经典通信不同，量子通信可以将信息编码，加载到单个光子的量子叠加态的偏振方向上。单光子是光能量的最小组成单元，不能被再分割，量子状态无法被精确复制，任何窃听行为都会对其造成扰动，从而被通信双方察觉并规避。通过量子态传输，通信双方协商生成量子密钥，再加上对信息进行“一次一密”的加密保护，真正实现信息在传输中的完全随机、不可破译，从根本上解决通信安全问题。量子通信主要涉及:量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，近来这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。本文主要探讨量子隐形传态和密集编码、量子密码术、量子直接通信三方面。首先从量子通信的背景和研究进展出发，然后选择比较热的方面进行探讨研究，最后展望量子通信的未来。 关键词：量子纠缠效应  量子密码通信  量子通信 ABSTRACT Quantum communication is the use of quantum entanglement effect be a new means of communication information transmission. Quantum communication is a new interdisciplinary developed nearly two decades, is a new research field of quantum theory and information theory combination. It differs from classical communication, quantum communication can encode information, loaded on the direction of polarization of a single photon quantum superposition states. Single photon is the smallest constituent unit of light energy can not be subdivided, a quantum state can not be an exact copy of any eavesdropping would causing disturbance, so as to be aware of and avoid communicating parties. Quantum state transmission, communications negotiated quantum key generation, coupled with the information, "one-time pad" encryption protection, the real information is completely random in transit, can not be deciphered, communication security solve the problem fundamentally. Quantum communication mainly involves: quantum cryptography, quantum teleportation and quantum dense remote coding, recently the discipline has been gradually from theory to experiment, to practical development. This paper discusses the dense coding quantum teleportation, quantum cryptography, quantum direct communication and three areas. First, the background and quantum communication research progress from the start, and then select the relatively hot research aspects are discussed, and finally look to the future quantum communication. KEY WORDS:Quantum entanglement effect      Quantum cryptography    Quantum Communication 目  录 第一章  绪论    1 1.1  研究背景    1 1.2  量子通信    1 1.3  量子纠缠    2 第二章  量子通信的主要内容    3 2.1 量子隐形传态和密集编码    3 2.2 量子密码术    4 2.3  量子直接通信    5 第三章  量子通信研究进展    6 参考文献    8 第一章  绪论 量子通信是利用量子效应进行信息传递的一种通信方式。量子通信是近二十年发展起来的交叉学科，是量子论和信息论相结合的研究领域。量子通信主要涉及量子密码通信、量子远程传态和量子 密集编码等，近来这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。 1.1  研究背景 我们生活在一个信息时代，信息科学在改善人类的生活品质以及推动社会的文明发展中发挥着令人惊叹的作用，这是其他学科所无法比拟的。随着人类社会对于信息的需求日益增加，人们不断地致力于信息技术的进一步发展，这必然导致现有的信息系统其功能被开发至极限。因此，信息科学的进一步发展势必要借助于新的原理和 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，于是一门将量子力学应用于信息科学的新兴学科—量子信息学便应运而生。这里我们着重介绍量子信息学的重要分支之—量子通信。量子通信是量子信息学中研究较早的领域。广义上讲，它包括量子密码术、量子隐形传态、 密集编码、远程量子通信，以及量子通信复杂性等。近年来在理论和实践上均已取得了重要的突破，引起各国政府、科技界和信息产业界的高度重视。 1.2  量子通信 自1993年美国IBM 的研究人员提出量子通信理论以来，美国国家科学基金会、国防高级研究 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 局都对此项目进行了深入的研究，并正在实施微型曼哈顿计划(mini-Manhattan project)。欧盟在1999 年集中国际力量致力于量子通信的研究，研究项目多达12 个。日本邮政省把量子通信作为 21 世纪的 战略项目。我国“国家中长期科学和技术发展规划 纲要(2006—2020 年)”将“量子调控”列入重大基 础研究计划，并正在实施“超级 973”—固态量子芯片研究，有多个大学和研究机构的研究团队进行量子技术研究[1]。目前，国内外已有数家公司开发出了量子通信产品。 量子通信的基础是，在两个相距一定距离的点之间产生量子纠缠态。但是由于光子的吸收和其他的通道噪声，纠缠度会随着通道的长度而降低。因此现有量子通信的诸多 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 都只能局限于在几十公里的距离内操作。最近，段路明与其国际合作的同事提出一个涉及量子中继器的新设想，有可能克服这一局限性。其基本思想是：将信道分成长度一定的若干段，每段都包括量子纠缠的产生和纯化两个过程。通过纠缠交换将两个相邻信息段的纠缠态连接起来。交换后形成的新纠缠态的纠缠度会有所降低，这就需要再次纠缠纯化。在段路明等人提出的方案中，利用光子和原子的相互作用，在原子集团之间产生纠缠态，相对于单个原子的纠缠态来说，纠缠产生的效率大大提高了。而纠缠态的连接则是通过简单的线性光学操作即可完成，并且在每个步骤中都包含一个本征的纠缠纯化的过程。 1.3  量子纠缠 量子纠缠是存在于多子系量子系统中的一种奇妙现象,即对一个子系统的测量结果无法独立于对其它子系的测量参数。虽然，近些年来，随着量子信息这一新兴领域的蓬勃发展，量子纠缠逐渐成为人们的热门话题，但它并不是什么新生事物，“纠缠” 这一名词的出现可以追溯到量子力学诞生之初。 因为量子力学描述的物理实在具有无法消除的随机性，所以，从它诞生之日起，围绕量子力学的争论就从未间断过。其主要表现为以爱因斯坦为代表的经典物理学家和以玻尔为代表的哥本哈根学派之间的冲突。其间最著名的事例是在1935年爱因斯坦同Podolsky和Rosen一起提出的EPR佯谬[2]。在此文中爱因斯坦等人第一次提出纠缠态的想法，其目意在说明在承认局域性和实在性的前提下，量子力学的描述是不完备的。玻尔虽然对此做出了相应的回答，但据玻尔的助手说，EPR的文章对玻尔的影响是极为重大的。因为玻尔从中看到了，在考虑多粒子时量子理论会导致纯粹的量子效应。然而，无论是玻尔还是爱因斯坦，都没有洞悉他们所讨论的纠缠态的全部含义，在经过了数十年的努力之后，这些含义才逐渐地被发掘出来[3]。 现在，量子纠缠态已被应用到量子信息的各个领域。对量子纠缠的深入研究无论是对于量子信息的基本理论还是对未来潜在的实际应用都将产生深远的影响。所谓的量子态纠缠就是：对于一个由N个子系统构成的复合系统，如果系统的密度矩阵不能写成各个子系统的密度矩阵的直积的线性叠加的形式，则这个复合系统就是纠缠的。即： 第二章  量子通信的主要内容 2.1 量子隐形传态和密集编码 量子隐形传态和密集编码：量子隐形传态和密集编码是量子通信中比较典 型的两种方式，前者利用经典辅助的方法传送未知的量子态，而后者则是利用量子信道传送用经典比特表示的信息。 在科幻电影中，常常出现这样的场景：一个神秘的人物在某处突然消失，而后却在异地莫名其妙地显现出来。隐形传送一词即来源于此。遗憾的是，在经典通信中，这种实现隐形传送的方法违背了量子力学的基本原理之一不确定关系。因此长期以来， 这只不过是一种科学幻想而已。 然而量子通信除了推广经典信息中的信源与信道等概念外， 还引入了其特有的量子纠缠，创造了量子隐形传态这样一个经典通信中不可思议的奇迹。1993年，Bennett等六位科学家在Phys.Rev.Lett发表了一篇开创性文章［2],提出将未知量子态的信息分为经典信息和量子信息两部分，分别由经典信道和量子信道传送给接受者。经典信息是发送者对原物进行某种测量（通常是基于Bell 基的联合测量)所获得,量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息。 如图1所示,假设发送者Alice欲将粒子1" 所处的未知量子态传送给接收者Bob，在此之前 两者之间共享Einstrin-Podolsky-Rosen(EPR)对（即由Ein-stein,Podolsky,Rosen提出的处于最大纠缠的两个粒子组成的对）。Alice对粒子1和她拥有的EPR粒子2实施 Bell基联合测量（BS）测量的结果将出现在四种可能的量子态当中的任意一个，其几率为1/4，对应于Alice不同的测量结果，Bob的粒子3坍缩到相应的量子态上。因此，当Alice经由经典通道将她的探测结果告诉BOb之后，他就可以选择适当的幺正变换U（4个泡利（Pauli）矩阵）将粒子3制备到精确复制态上 。 量子隐形传态的特点是，仅仅是量子态被传送，但粒子3本身不被传送。而在Alice测量之后，初态已被破坏，因此这个过程不是量子克隆。 假设Alice和Bob共享处于纠缠态的一对粒子，从而建立量子通道。Alice 在四种可能的幺正变换中任选一种对其纠缠粒子A进行操作， 这种作用实际上是将两个比特的经典信息进行编码。其后，Alice将粒子 A发送给Bob，Bob通过对两个粒子进行Bell基联合测量，即可确认 Alice所做的变换，从而获得2个比特的信息，也就是说，仅仅通过传送一个粒子便能成功地传送2个比特的经典信息。这就是所谓的“密集编码。［4］ 2.2 量子密码术 量子密码术：量子密码学是量子物理学与密码学相结合的一门新学科，它的理论首先是由美国哥伦比亚大学的S.J.Wiesner 提出的。1970年左右，他撰写了一篇题为“共轭编码”的 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ，文中提出了量子物理学至少在原则上可用于完成两项从经典物理学观点看来不可能进行的工作，其一是制造物理学上不可伪造的钞票，另一项就是利用量子来传送消息的方案。遗憾的是，由于想法过于离奇，他的文章被拒绝刊登，直到1983年才得以在会议上发表。与此同时，1979年IBM公司的C.H.Bennell和蒙特利尔大学的G,Brassard了解到Wiesner 的观点， 便开始考虑量子密码术具体的实施方法，提出了一些早期的方案 （如BB84方案）［5］，1989年在IBM公司 Thomas J.Watson研究中心建立起一个完全能工作的原型样机。目前，量子密码术的研究引起了人们的广泛兴趣，在理论和实验方面均取得了重要进展.采用光纤传输线已实现 48KM 的密钥传送，自由空间的量子密码实验也取得了很大进展。量子密码术的实用化已经指日可待。 2.3  量子直接通信 量子直接通信是一种新的量子通信形式，其原理是通信双方以量子态作为信息载体，利用量子力学原理在量子信道中传输量子态，实现信息在通信双方之间安全、无泄漏的直接传输过程。和量子密码通信一样，量子直接通信的安全性也是量子力学原理保证的，包括量子不可克隆原理、量子不确定性原理以及纠缠粒子的关联性和非定域性等。量子直接通信过程不同于量子密钥分配，在通信中。通信双方不需要首先实现安全密钥的生成过程。而是通过直接建立量子信道的方式进行通信。从而将一般意义上的四步量子通信过程简化为直接的量子通信过程，直接完成信息传输。 量子直接通信主要包括确定的安全量子通信(Deterministic Secure Quantum Communication，DSQC)和量子安全直接通信(Quantum Secure Direct Communication，QSDC)两种方式。由于历史的原因，这两种直接通信方式的名称比较接近。确定的安全量子通信是通信双方在完成信息直接传递的过程中需要经典信息的通信过程作为辅助：而量子安全直接通信过程则不需要经典信息的传递，发送方完成量子传输以后。接收方可以直接读出机密信息。 量子密钥分配在应用中可以保证任何对于通信的窃听行为都能被合法的通信双方发现．那么通信双方可以中断通信。抛弃已有的通信结果来保证通信的安 全性。但是量子安全直接通信传输的是机密信息本身。这样就不能简单地通过抛弃传输结果的方法来保证机密信息不泄露给窃听者。所以量子安全直接通信的要 求较之量子密钥分配要高。通信者必须在传输机密信息的过程中保证窃听者得不到秘密信息。 量子安全直接通信的安全性具有更高的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。判断一个量子通信方案是否是量子安全直接通信有以下四条标准：(1)机密信息应该直接由信息的接收者读出．通信过程除了安全性检测步骤中使用的经典通信之外，不需要附加的经典信息交换；(2)窃听者无论采取何种方法都不能获得机密信息，得到的只能是一个不含有信息的随机的结果；(3)通信双方通过检测可以在机密信息泄露之前检测到窃听者的存在；(4)携带机密信息的量子态必须以块状传输。 确定的量子直接通信与量子安全直接通信的区别在于前者需要通信双方在直接通信的过程中交换经典信息。在某种意义上，这种直接通信方法的步骤与量子密钥分配类似。在量子信道里传输加密后的密文。而通过经典信道将密钥公开。量子信道保证了密文不会被窃听者获取。与量子密钥分配传输随机密码不同，确定的量子通信要求将已经确定下来的密文按照要求发送出去。因此确定的量子通信比起一般的量子密钥分配要求要高些。 第三章  量子通信研究进展 量子信息论的奠基者们的本意是用量子力学来辅助完成一些经典信息过程，然而随着研究的深入，后来者们逐步把量子力学与经典信息论真正地结合起来。在此过程中，许多重大问题（如消相干等）得到解决，各种新的奇异现象被发现，这使得研究者们越来越坚定地相信量子信息论已成为一门独立的学科。从经典信息到量子信息的推广，就像从实数到复数的推广一样。 量子信息除了推广了经典信息中的信源与信道等概念外，还引入了其特有的量子纠缠。量子信息可以说是经典信息与量子纠缠的互补。经典信息可以被任意克隆，但只能从时空中的一点传到后面的一点。量子纠缠不可以被克隆，但可以把时空中的任意两点联系起来（非局域性）。 尽管有着广泛应用前景的量子通信的基本框架已经成型，但是我们也应当看到目前量子通信领域中还有许多问题亟待解决例如在实验单元技术上，如何有效地产生多粒子纠缠态，哪一种物理体系更适合存储量子信息等问题；在理论上，在量子信息领域中占有特殊地位的纠缠，其特性尚未完全揭示清楚，甚至有关纠缠的度量问题也远未解决。然而这将无损于量子通信的发展势头，反而会吸引各方面的专家学者参与到量子通信的研究中来。我们有理由相信，量子通信科学的明天会更加辉煌，人类从经典通信时代进入量子通信时代不再只是一种梦想。 参考文献 [1] Pan Jianwei，Chen Zengbing，Lu Chaoyang，etal． Multiphoton entanglement and interferometry [J]．Reviews of modern physics，2012(84)：777-838． [2]Einstein A, Podolsky B And Rosen N. Phys. Rev. 1935, 47: 777. [3]Milburn G J著， 郭光灿等译， 费曼处理器， 江西教育出版社，1999，49~55 [4] 薛鹏 郭光灿  量子通信  中国科学技术大学 中国科学院量子信息重点实验室 合肥 230026 [5]Bouwmeester D et al . Nature(London), 1997,390:575 [6]Bennett C H;Brassard G Proc. IEEE Internet. Conf. On ComputersSystems and Signal Processing 1984 [7]YanFL ZhangXQ．Asf：heme forsecure direct communicationusing EPR painandteleportation．m European PhysicalJournal B，2004，41：75—78． [8]刘传才 量子密码学的研究进展[期刊论文]-小型微型计算机系统 2003(07） [9]陈宏伟 量子克隆的实验研究[学位论文]博士 2008 [10]郭光灿 量子信息引论[期刊论文]-物理2001,30(5) [11]龙桂鲁,秦国卿 量子密钥分发与量子安全直接通信[期刊论文]-物理与工程 2014(02 [12]Cao Y;Liang H;Yin J Entanglement-based quantum key distribution with biased basis choice via free space 2013 [13]王尊 量子通信理论和应用[期刊论文]-企业技术开发（下半月） 2015(12)