陈智鹏量子通信研究

1、量子通信量子通信目目 录录一、量子信息的特性一、量子信息的特性二、量子密码二、量子密码三、量子通信三、量子通信四、结束语四、结束语一、量子信息的特性一、量子信息的特性自然界有三要素：物质、能量和信息。自然界有三要素：物质、能量和信息。相应有三个学科：材料科学、能量科学和信息科学。相应有三个学科：材料科学、能量科学和信息科学。何谓何谓“信息信息”？信息就是我们在适应外部世界和控制外信息就是我们在适应外部世界和控制外部世界的过程中，同外部世界进行交换的内部世界的过程中，同外部世界进行交换的内容和名称。容和名称。“信息就是信息，既不是物质，也不是能信息就是信息，既不是物质，也不是能量量”。为全人类带

2、来更丰富的高科为全人类带来更丰富的高科技成果。技成果。 2020世纪人类把量子力学应用于物世纪人类把量子力学应用于物质科学和能源科学，导致了构成当代质科学和能源科学，导致了构成当代文明社会的高科技成果，如核能、半文明社会的高科技成果，如核能、半导体、激光等。导体、激光等。 2121世纪人类将量子力学世纪人类将量子力学应用应用于信于信息科学，导致量子信息的诞生，这将息科学，导致量子信息的诞生，这将 量子信息与经典信息的根本区别量子信息与经典信息的根本区别经典信息经典信息 二进制二进制0或或1组成的数字串，其信息组成的数字串，其信息单元称为单元称为“比特比特”，为，为0或者或者1。 用量子的语言可

3、描述为态用量子的语言可描述为态 和和 。经典粒子只能处在经典粒子只能处在 或或 之中的一个态之中的一个态上。上。0101量子信息量子信息 微观粒子允许同时处在微观粒子允许同时处在 和和 两个两个态上，这是其波粒二象性的结果。态上，这是其波粒二象性的结果。 01121201 , ,CCC C为任意复数。12221 CC（叠加态）（叠加态） 量子信息是经典信息的完善和扩充，正如复数量子信息是经典信息的完善和扩充，正如复数z=x+iyz=x+iy是实数是实数x x，y y的完善和扩充。的完善和扩充。量子信息的单元量子信息的单元 称为量子比特。称为量子比特。 量子比特（即量子态）的物理载体：光子，电子

4、，原量子比特（即量子态）的物理载体：光子，电子，原子，核自旋，子，核自旋， 以量子态作为信息单元，以量子态作为信息单元，“信息信息”就量子就量子化。化。 以以“比特比特”作为信息单元的是经典信息，作为信息单元的是经典信息，以以“量子比特量子比特”作为单元的是量子信息。作为单元的是量子信息。 因此，量子信息遵从量子力学规律。因此，量子信息遵从量子力学规律。信息传输：信息传输：量子态在量子通道中传送量子态在量子通道中传送信息处理信息处理( (计算计算) )：量子态幺正演化量子态幺正演化信息提取：信息提取：量子测量量子测量 如，经典信息可以克隆，而量子信息是不可克隆的如，经典信息可以克隆，而量子信息

5、是不可克隆的（量子不可克隆定理）。（量子不可克隆定理）。 两经典粒子分离后就不关联，而两量子粒子处于纠两经典粒子分离后就不关联，而两量子粒子处于纠缠态（缠态（EPR粒子）时不论空间分离多开仍然存在量子关粒子）时不论空间分离多开仍然存在量子关联，对其中一个粒子施行作用必然会影响另一个粒子的联，对其中一个粒子施行作用必然会影响另一个粒子的状态。状态。于是，奇特的量子性质就可以产生新的信息功能。于是，奇特的量子性质就可以产生新的信息功能。二、量子密码二、量子密码 采用量子态采用量子态(量子比特量子比特)作为信息载体，经由量子作为信息载体，经由量子通道传送，在合法用户之间建立共享的密钥通道传送，在合法

6、用户之间建立共享的密钥(经典随经典随机数机数)，这个密钥是安全的，任何窃听都会被发现。，这个密钥是安全的，任何窃听都会被发现。 其安全性由量子力学原理所保证：其安全性由量子力学原理所保证：窃听者若企图通过对量子态的测量来窃窃听者若企图通过对量子态的测量来窃取信息，则必然会干扰这个量子态本身，取信息，则必然会干扰这个量子态本身，从而会留下痕迹而被合法用户发现。从而会留下痕迹而被合法用户发现。窃听者若企图通过复制传送密钥的量子窃听者若企图通过复制传送密钥的量子态来获得信息，此时量子不可克隆定理态来获得信息，此时量子不可克隆定理确保这种复制不可能成功。确保这种复制不可能成功。 因此，量子密码术原则上

7、可以提供不可破译、因此，量子密码术原则上可以提供不可破译、不可窃听的保密通信体系。不可窃听的保密通信体系。目前中国科大已在光目前中国科大已在光纤中成功地实现纤中成功地实现125125公里量子密钥传输，在自由公里量子密钥传输，在自由空间中实现空间中实现1313公里传送。公里传送。量子安全体系量子安全体系量子量子身份身份认证认证量子量子比特比特承诺承诺量子量子对策对策论论 量子密码通信量子密码通信是目前唯一被证明是目前唯一被证明绝对安全的保密通绝对安全的保密通信方法信方法, ,美国美国商业商业周刊周刊把它列在了把它列在了改变人们未来生活改变人们未来生活的十大发明的第三的十大发明的第三位。位。 三、

8、量子通信三、量子通信 长期以来，这种隐形传物无长期以来，这种隐形传物无论用经典方法或量子方法都认为论用经典方法或量子方法都认为是不可能的，只是是不可能的，只是“科学幻想科学幻想”或或“神话神话”而已。而已。地地球球木木星星 1993年美国年美国IBM的著名科学家的著名科学家Bennet等等四个国家的六位科学家联名在四个国家的六位科学家联名在PhysicalReview Letters上发表了一篇开创性论文：上发表了一篇开创性论文：“经由经典和经由经典和EPR通道传送未知量子态通道传送未知量子态”，提，提出了一种方法可以将某个粒子的未知量子态出了一种方法可以将某个粒子的未知量子态(未未知量子比特

9、知量子比特)传送给远处的另一个传送给远处的另一个粒子，使该粒子处在这个未知量子粒子，使该粒子处在这个未知量子态上，而原先的粒子不被传送，这态上，而原先的粒子不被传送，这就是所谓就是所谓“量子隐形传态量子隐形传态”。EPR-sourceinitial stateBSMUClassical informationALICEBOBTeleported stateEntangled pair量子隐形传量子隐形传态原理图态原理图为实现传送某个物体的未知量子态，可将原为实现传送某个物体的未知量子态，可将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，物的信息分成经典信息和量子信息两部分，基本思想基本思想它们分别经

10、由经典通道和量子通道传送给接受者。它们分别经由经典通道和量子通道传送给接受者。量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的部分信息经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的部分信息接受者在获得这两种信息之后，就可以接受者在获得这两种信息之后，就可以制造出原物量子态的精确复制品。制造出原物量子态的精确复制品。在这个过程中，在这个过程中，原物始终留在发送者处，被传送的仅仅是原物的量子原物始终留在发送者处，被传送的仅仅是原物的量子态，而且，发送者对这个量子态始终一无所知；态，而且，发送者对这个量子态始终一无所知；接受者是将

11、别的物质单元接受者是将别的物质单元(如粒子如粒子)制备成为与原物完全制备成为与原物完全相同的量子态，他对这个量子态也始终一无所知；相同的量子态，他对这个量子态也始终一无所知；原物的量子态在测量时已被破坏掉原物的量子态在测量时已被破坏掉不违背不违背“量子量子不可克隆定理不可克隆定理”；未知量子态未知量子态(量子比特量子比特)的这种传送，需要经的这种传送，需要经典信道传送经典信息典信道传送经典信息(即发送者的测量结果即发送者的测量结果)，传送速度不可能超过光速传送速度不可能超过光速不违背相对论不违背相对论的原理。的原理。 19971997年，奥地利学者年，奥地利学者( (其第二作者为中国其第二作者

12、为中国科技大学学生科技大学学生) )在在NatureNature上报道了第一个上报道了第一个实现光子偏振态隐形传送的试验。该论文轰实现光子偏振态隐形传送的试验。该论文轰动了学术界和新闻界，后被动了学术界和新闻界，后被NatureNature评为评为2020世纪最有影响的世纪最有影响的2121篇经典论文之一；篇经典论文之一；19981998年，意大利学者在年，意大利学者在Physical Review Physical Review LettersLetters上发表了另一个光子隐形传态的论文上发表了另一个光子隐形传态的论文；19981998年底，美国学者分别在年底，美国学者分别在Science

13、Science和和NatureNature上报道新的试验。上报道新的试验。2 2、量子密集编码、量子密集编码 量子密集编码可以实现发送单个光子束传输量子密集编码可以实现发送单个光子束传输两个比特的信息。两个比特的信息。量子密集编码原理图量子密集编码原理图特点：特点：(1) (1) 保密性高；保密性高；(2) (2) 增大信息传送速率，适用于紧急场合。增大信息传送速率，适用于紧急场合。3 3、 量子通信网络量子通信网络ACBD量子存量子存储器储器存储量子信息，处存储量子信息，处理理(运算运算)量子信息。量子信息。量子存储器量子存储器量子通道量子通道传送量子信息。传送量子信息。用途：开拓新的通信原

14、理和方法。用途：开拓新的通信原理和方法。例：例：(1)(1)网络量子密码网络量子密码;(2);(2)分布量子计算。分布量子计算。 2004 2004 年年6 6 月月3 3 日日, ,世界上第一个世界上第一个量子密码通信网络在美国马萨诸塞州量子密码通信网络在美国马萨诸塞州剑桥城正式投入运行。主持这套网络剑桥城正式投入运行。主持这套网络建设的是美国建设的是美国BBN BBN 技术公司。这个量技术公司。这个量子密码通信网络已成功地实现了该公子密码通信网络已成功地实现了该公司与哈佛大学之间的连接司与哈佛大学之间的连接, ,且很快就且很快就延伸至波士顿大学。新的量子密码通延伸至波士顿大学。新的量子密码

15、通信网络与现有因特网技术完全兼容信网络与现有因特网技术完全兼容, ,网络传输距离约为网络传输距离约为10 10 千米。千米。四四.结束语结束语 量子信息作为新兴交叉的学科而诞生，无疑是量量子信息作为新兴交叉的学科而诞生，无疑是量子力学的又一个辉煌成果，反过来也丰富了量子力学子力学的又一个辉煌成果，反过来也丰富了量子力学的研究内容，有力地推动量子论的发展。的研究内容，有力地推动量子论的发展。 信息时代的发展促使人类把微观世界的信息时代的发展促使人类把微观世界的量子理论运用到信息技术这一高科技领域，量子理论运用到信息技术这一高科技领域，由于其速度快、功耗低、存储能力大、计算由于其速度快、功耗低、存储能力大、计算能力强、保密性好以及其他奇特的性能，量能力强、保密性好以及其他奇特的性能，量子信息很有可能成为信息时代新的主