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永远同步的神奇的双胞胎 量子通信小论文【内容提要】：量子通信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。它是利用量子纠缠效应进行信息传递一种新型的通讯方式。其独特的方式，高效安全的信息传输，高效率和绝对安全等特点，在建立全球量子通信，量子通信和量子保密系统，军事，国民经济建设等方面有着广阔的前景。不过。介于量子的“纠缠效应”，在当前的实验条件下，很难复制相同的量子导致量子存储的实验实现却一直存在着很大的困难。而对量子态的测量会破坏量子原有的量子态，导致其信息失传。还有如何提纯高品质的量子纠缠态等，这些也是当前量子通信噩待解决的问题。【关键字】：量子纠缠 香农公式 海堡森测不准定理 目录1. 前言。第2页2. 量子通信的定义及现状。第2页3. 研究的主要成果及其发展趋势。第4页4. 存在的缺陷以及学习体会。第7页5.参考文献。第8页前言量子通信虽然只有近二十年的发展时间，但其却有着惊人的潜力，在各个领域都有着崭新的研究视角，它将会给世界带来新的技术的革新。本论文着重介绍量子通信在国内外的历史发展以及现状。还有它主要的研究成果在构建安全的量子通道来传输信息用于全球通信，量子编码通信可望通过人造卫星来实现等。还有，量子通信存在的缺陷，比如量子力学的不确定性原理不允许精确地提取原物的全部信息，这个复制品不可能是完美的。最后，量子通信在高速通信、量子密码、量子计算机等方面的广阔发展空间。此外，还有写此论文的心得。正文一 量子通信的定义及现状1） 定义量子通信（Quantum Teleportation）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。量子纠缠现象，使得光子、电子甚至是原子之间能相互影响，相互制约，从而传递信息。理论上讲，这种纠缠可以使两点之间，不论距离的即时通信顺利完成。根据量子力学，有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系，不管它们被分开多远，只要一个粒子发生变化就能立即影响到另外一个粒子，即两个处于纠缠态的粒子无论相距多远，都能“感知”对方的状态。在微观世界里，也有“心灵感应”的可能。这就是曾被爱因斯坦称作“幽灵般的超距离作用”的“量子纠缠”。处于纠缠状态的粒子，一旦对其中一个进行测量，确定它的状态，就可得知另一个粒子的状态，这一特性被称为量子隐形状态。要实现量子通信。首先，需要在通信终端共享缠结在一起的一对粒子。然后，对量子态进行信息处理，只要其中一个发生变化，另一个就会随之变化。量子态是载体，只要完成对粒子态的的操纵，就可以实现信息传输。2）.研究历史与现状早在1993年，6位来自不同国家的科学家，就已经提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传态的方案。在这个方案中，纠缠态的非定域性起着至关重要的作用。量子力学是非定域的理论，这一点已被违背贝尔不等式的实验结果所证实，因此，量子力学展现出许多反直观的效应。量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义，而且可以用量子态作为信息载体，通过量子态的传送完成大容量信息的传输，实现原则上不可破译的量子保密通信。此后不久，量子通信从理论变成现实。在 1997年，在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。虽然在实验上取得的突破，但在随后的国际上许多研究小组对这一课题进行研究，并提出了一系列量子纠缠态纯化的理论方案，没有一个是能用现有技术实现的。最近潘建伟等人发现了利用现有技术在实验上是可行的量子纠缠态纯化的理论方案，原则上解决了目前在远距离量子通信中的根本问题。这项研究成果受到国际科学界的高度评价，被称为“远距离量子通信研究的一个飞跃”。二 研究的主要成果及其发展趋势1)主要成果首先，意大利和奥地利科学家小组首次识别出从地球上空1500公里处的人造卫星上反弹回地球的单批，实现光子了太空绝密传输量子信息的重大突破。这一突破标明在太空和地球之间可以构建安全的量子通道来传输信息，用于全球通信。此后，意大利帕多瓦大学的保罗维罗来斯和恺莎尔巴伯利领导此研究小组，成功地利用意大利名为马泰拉（Matera）激光测距天文台的1.5米望远镜向地球上空1500公里处的日本阿吉沙人造卫星发射出光子并让此卫星将这些光子反弹回到了原始出发地。这标志着无法偷听的量子编码通信可望通过人造卫星来实现。此消息将会大受全球通信公司和银行的欢迎。在2007年6月，一个由奥地利、英国、德国研究人员组成的小组在量子通信研究中通过创下了通信距离达144公里的最远纪录。而要达到更远的距离很难，因为大气容易干扰光子脆弱的量子状态。而巴伯利小组想出了解决办法，通过人造卫星来发送光子。由于大气随高度的增加而日趋稀薄，在卫星上旅行数千公里只相当于在地面上旅行8公里。研究小组此研究小组从意大利马泰拉（Matera）激光测距天文台的望远镜向阿吉沙（Ajisai）人造卫星发射出一束普通的激光。阿吉沙（Ajisai）人造卫星由318面镜片组成，从精确的镜片上反弹回来的单批光子成功地回到了此天文台。同样。2)广阔前景量子通信是通信技术的又一规划时代革命，具有广泛的应用前景。1.无与比拟的高速通信量子通信可以满足空间远距离、大容量的通信网络、易组网等方面的要求，量子通信可以用来组建高速、大容量的通信网络，实现高清晰图片的大荣量超高速数据传输、为建立量子因特网奠定了结实的基础。量子通信的传输速率理论上可以与粒子的震荡频率相等，这意味着其传输速率可以达到万亿Gbit每秒，对于当前解决宽带瓶颈有着重要的意义。在经典信息中，传输速率和带宽都要满足香农公式。而信噪比不可能达到无限大，故而传输的速率一定会受到带宽的影响。量子通信突破了香农公式的限制，可以将带宽和传输速率提高到无限。2、安全的守护神量子密码量子通信可以实现完全保密通信，这使量子通信在军事、国防、国民经济建设等领域有着重要作用。在目前的通信模式中，就连保密性最好的光纤通信，也存在被窃听的可能。量子中的“海堡森测不准定理“，它指在不知道粒子状态的前提下复制单个量子是不可能的，因为要复制单个量子就必须测量，而测量必定会引起量子状态的改变。这量子态通常用Dirac符号“”表示。一个二维量子态就是一个量子比特，“态叠加原理”表明一个量子比特可以是两个计算基态0和1的任意线性叠加。量子纠缠是量子力学最奇妙的现象。如果Alice沿某方向测量自己的粒子，她的测量结果将完全随机，即以12的概率得到1，12的概率得到0。但如果此时Bob也沿相同的方向测量自己的粒子，他一定会得到与A1ice相反的结果。即不管他们相距多远，Alice的测量结果都会使得Bob的粒子态唯一确定，这就是爱因斯坦所说的神秘的“超距”现象。就保证了传输信息不被第三方非法窃取。密码锁的发展是保证网络安全的重要技术。3、遥远的鬼魅行为零时延传播由于量子通信时延为零，可以实现超光速通信。量子通信的发展必将会加速人们探索宇宙空间的进程。在地球通信，光速基本满足传输的实时性。但在星际探索中，如在月球，信息的往返达到了2s，这就增加了姿态控制命令下达的难度，并带来了一定不确定性。如果量子通信能应用到宇宙领域探索，由于量子通信对距离的敏感度，飞行器采集的数据可以实时传递到地面，地面发送的信息也可以瞬时传到空中飞行器，甚至能像操纵遥控飞行器在许多光年外的空间进行探索。4、前所未有的计算能力量子计算机量子计算机的本质，是用量子器件替代传统计算机器件，借助量子器件更多样的物理状态，增加存储容量，简化电脑计算的方式。具体来说，在经典计算机中，可能一个二极管的电压高低，代表这个比特的值是1或者0，而在量子计算机中，一个量子可以既是1又是0，有两个值。N个量子并排，就有2的N次方个值。当量子电脑计算时，不同量子同时进行变换，然后按照一定的概率叠加在一起，得出计算结果，这种计算称为量子并行计算。量子可以叠加，而且互相干涉，这是量子计算的物理本质。一旦研制出来，量子电脑的计算能力将极为强大，因为它让许多数值并行计算。但目前实现这种功能的电脑，还停留在实验室阶段。量子通信的以上优点，量子通信在很多领域已经有了不少突破和前景规划。早在2002年，美国制定的“十年发展规划”中明确提出，“到2012年发展一套可行的带有足够复杂度的量子计算技术”，美国全国科学基金会投资5000万美元对量子通信进行研究。目前，美国白宫和五角大楼安装了量子通信系统，并已投入使用。日本邮政省把量子通信列入21世纪的战略项目，并于2000年将量子通信技术作为一项国家级高技术列入开发计划，10年内投资400多亿日元，主要研究光量子密码及光量子信息传输技术。欧洲成立了包括英国、法国、德国、意大利、奥地利和西班牙等国在内的量子信息物理学研究网，这是继欧洲核子中心和航天技术国际合作之后，又一针对科技重大问题的大规模国际合作。三、存在的缺陷以及学习体会1）前进路上的绊脚石量子通信虽然有着无与伦比的广阔的发展前景，但其发展只有近二十年的时间，很多设想只停留在理论和实验室里。量子通信根据量子纠缠进行传输，可是量子力学的不确定性原理不允许精确地提取原物的全部信息，这个复制品不可能是完美的。因此长期以来，隐形传送不过是一种幻想而已。由于存在各种不可避免的环境噪声，量子纠缠态的品质会随着传送距离的增加而变得越来越差。因此，如何提纯高品质的量子纠缠态是目前量子通信研究中的重要课题。当量子电脑计算时，不同量子同时进行变换，然后按照一定的概率叠加在一起，得出计算结果，这种计算称为量子并行计算。量子可以叠加，而且互相干涉，这是量子计算的物理本质。但相干性也给量子计算机的实现带来了困难量子会受到干扰，丢失信息。目前无论是用光子还是电子做量子，设计者都要面对怎样长久保存量子信息的问题。2）由量子通信的发现以及发展有感1、当“量子纠缠”最早提出时，爱因斯坦坚决反对，甚至将其戏称为“遥远的鬼魅行为”， 并且还坚持认为不可能存在比光速还要快的信号，任何比光速快的“鬼魅似的远距作用”都是不可思议的。此后，哥伦比亚大学一位年轻学者提出了防范伪钞的量子货币的概念。不久，他把自己的想法写成论文投向一家专业性杂志。杂志编辑认为是天方夜谭，作了退稿处理。虽然量子理论在其发展的道路上受到了不同程度的阻碍，但真理的路上探索从未停止。在科学家们孜孜不倦，刻苦专研下，在2008年时，量子通信从理论变成的实际，彻底否定了爱因斯坦在此理论，开辟了量子通信新纪元，此后对其探索掀起了热潮。“只要想的到，就能做的到”。纵观现代社会的种种发明，哪一个不是建立在最初的幻想上的。尤其对于当代大学生，对于任何事情要敢想敢做，不要怕被否定，被嘲笑，真理往往都是掌握少数人