第五章-量子通信的关键技术

第五章量子通信中的关键技术5.1量子通信的分类和工作原理5.2量子通信系统的组成5.3量子通信的关键技术5.4量子通信优势和应用范围5.5量子通信系统的实验装置5.6量子通信的相关名词5.1量子通信的分类和工作原理量子光通信（QOC,QuantumOpticalCommunications)简称量子通信是以光作为具有一定能量h

的光量子组成的光量子流的观点出发来研究光通信的。量子通信的载体是光量子，其运动、传输及相互作用要遵守量子电动力学原理。量子通信是量子论和信息论相结合的新的研究领域。主要涉及：量子密码传送、量子远程传态分发和量子密集编码等技术。

量子通讯是利用了光子等粒子的量子纠缠原理。量子通讯学告诉人们，在微观世界里，不论两个粒子间距离多远，一个粒子的变化都会影响另一个粒子的现象叫量子纠缠，这一现象被爱因斯坦称为“诡异的互动性”。科学家认为，这是一种“神奇的力量”，可成为具有超级计算能力的量子计算机和量子保密系统的基础。量子隐形传态2024/10/28TeleportationpubliccommunicationEPRSource粒子2粒子3securechannelBob粒子1AliceAlice拥有一个粒子1处于未知态，其可以表示为粒子2和粒子3构成EPR对,Alice拥有粒子2,Bob拥有粒子3.2024/10/28TeleportationpubliccommunicationEPRSource粒子2粒子3securechannelBob粒子1Alice粒子2和粒子3构成EPR对,Alice拥有粒子2,Bob拥有粒子3.这个EPR对与粒子1构成的量子体系的复合波函数可以表示成两个态的直积形式(和是粒子1和粒子2所在的四维希尔伯特空间中的Bell基)2024/10/28TeleportationpubliccommunicationEPRSource粒子2粒子3securechannelBob粒子1AliceAlice对粒子1和粒子2施行一个Bell基测量,粒子3的态将会坍塌为下面4个态中的其中一个,而且分别与Alice测量结果相对应.

此时,粒子1的相关信息存储到粒子3上了.2024/10/28InformationEncodingandDecoding

.........

.........0110........................RRRxRx0110...............AliceBobEPR1:EPR2:Information:为了使量子隐形传态成功完成,Alice通过经典通道把测量结果告诉给Bob.最后Bob根据测量结果对粒子3做适当的幺正变换，将得到最终的态2024/10/28几点说明：(1)从粒子1到粒子3量子信息的传递可以发生在任意的时空之间,因为量子纠缠具有非局域性.(2)联合测量后接收方的粒子的量子态仍然处于混合态,也就是说,联合测量本身对Bob来说,并不给出任何关于原粒子态的信息.原粒子态的重建应该归功于EPR态的纠缠非局域关联,经典通讯和局域的幺正变换.(3)量子隐形传态不存在超光速通讯问题.因为没有通过经典通道传送的经典信息,隐形传态将不可能成功.而经典通道的通讯速度必然要受到相对性原理的限制,即传送速度不可能超过光速.2024/10/28(4)量子隐形传态不违背符合量子力学的不可克隆定理.因为Alice进行Bell基测量后,|φ〉1已被破坏掉了,一次量子隐形传态只能够使原粒子的量子态在另外的一个粒子上重新构建出来.(5)发送者和接收者在整个传输过程中都不需要知道他们所传输的或者接收的量子态的任何信息,因而量子隐形传态提供了操控量子态而不破坏量子态的可能性.真正的随机数绝对安全的信息传输解决NP问题展望-量子信息论潜力量子通信、量子计算机必然走向成熟，到那时，电子信息技术又将进入一个崭新的时代按所在空间分为：陆上、水下和空间系统；按传输介质分为：无线和有线量子通信系统，有线量子通信系统又可分为：电缆和光缆量子通信系统；按其采用的技术可分为：一般量子通信系统和量子纳米通信系统；按照所传输的信息可分为：经典的量子通信（主要用于密钥的传输）和量子的量子通信（主要用于量子隐形传态和量子纠缠的分发）。量子通信的分类根据信息传递的机理分，量子通信技术分为基于单光子信道的量子通信和基于光子纠缠对的量子通信。量子通信的基本原理量子通信是利用量子相干叠加、量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信技术，由量子论和信息论相结合而产生。从物理学角度看，量子通信是在物理极限下利用量子效应现象完成的高性能通信，从物理原理上确保通信的绝对安全，解决了通信技术无法解决的问题，是一种全新的通信方式。从信息学角度看，量子通信是利用量子不可克隆或者量子隐形传输等量子特性，借助量子测量的方法实现两地之间的信息数据传输。量子通信中传输的不是经典信息，而是量子态携带的量子信息，是未来通信技术的重要发展方向。量子通信主要由量子密钥分配(QKD，QuantumKeyDistribution)、量子隐形传态(QuantumTeleportation)、量子安全直接通信(QSDC，QuantumSecureDirectCommunication)、量子机密共享(QSS，QuantumSecretSharing)等4个方面。5.2

量子通信的主要组成部分量子密钥分配(QKD)量子密钥分配以量子态为信息载体，基于量子力学的测不准关系和量子不可克隆定理，通过量子信道使通信收发双方共享密钥，是密码学与量子力学相结合的产物。QKD技术在通信中并不传输密文，只是利用量子信道传输密钥，将密钥分配到通信双方。基于QKD技术的保密通信系统架构如下图目前，各国学者在理论上已经提出了几十种量子密钥分配方案，根据信号源的不同大概可分为三类:基于单量子的量子密钥分配方案；基于量子纠缠对的量子密钥分配方案；基于单量子与量子纠缠对的混合量子密钥分配方案。量子隐形传态量子隐形传态(QuantumTeleportation)又称量子远程传态或量子离物传态，是利用量子纠缠的不确定特性，将某个量子的未知量子态传送到另一个地方，然后将另一个量子制备到该量子态上，而原来的量子仍留在原处。其基本原理是利用量子纠缠对的远程关联，通过对其中一个纠缠量子和某一个未知量子态进行一些本地测量，实现这个未知量子态在另一个纠缠量子上再现出来。量子态传送过程是隐形的，通信过程中传输的只是表达量子信息的“状态”，而并不传输作为信息载体的量子本身，通信没有经历空间与时间，不发送任何量子态，而是将未知量子态所包含的信息传送出去。量子安全直接通信(QSDC)量子安全直接通信是指通信双方以量子态为信息载体，基于量子力学相关原理及量子特性，利用量子信道，在通信收发双方之间安全地、无泄漏地直接传输有效信息，特别是机密信息的通信技术。

QSDC是量子通信技术的一个重要分支，主要用于直接传输机密信息。通信的收发双方无需事先建立安全密钥，就可以直接通过量子通道进行信息传输。QSDC与量子密钥分发的根本区别在于在量子信道中直接传递秘密信息，安全性要求比量子密钥分配高，但总体而言，QSDC方案还存在非实时及其量子信道信息所需要的纠缠态、量子存储等技术还不成熟的问题。量子机密共享(QSS)量子机密共享是传统的机密共享在量子通信中的运用和发展，传统的机密共享旨在对重要的密钥进行安全保护，使即便部分或全部密钥被第三方窃取也难以恢复出真实的密钥。其主要实现思路是，将原始密钥分割成多份，然后将多份密钥分别发给多个用户，每个用户都只能获取一份或多份密钥份额，只有在多个密钥分享者合作下，才能恢复出原始的密钥，不能满足上述条件的共享者将无法得到全部的密钥。通过使用机密共享方案，可以在分享机密信息的同时，防止不诚实用户的破坏企图。量子机密共享是多个通信方之间通过多量子纠缠态实现的量子通信，但现实应用技术难度大，还基本处在理论研究阶段。1999年，Hillery，Buzek和Berthiaume提出了首个量子机密共享方案，随后，各国学者又相继提出了大约十几种理论方案，包括共享一个未知态的一些方案，并于2001年在实验上进行了演示。量子通信系统的组成量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置，如果长距离的传输还要包括量子中继器。量子态发生器（量子信源）产生消息并发送出去；量子调制将原始消息转换成量子态形式，产生量子信号；量子信宿是消息的接收者，量子解调将量子态的消息恢复成原始消息；其余都属于量子信道范畴。另外通常还有辅助信道，是指除了传输信道以外的附加信道，如经典信道，主要用于密钥协商。量子通信技术的特点与优势1、具有极高的安全性和保密性，根据量子不可克隆定理，量子信息一经检测就会产生不可还原的改变，如果量子信息在传输中途被窃取，接收者必定能发现，量子通信没有电磁辐射，第三方无法进行无线监听或探测；2、时效性高传输速度快，量子通信的线路时延近乎为零，量子信道的信息效率相对于经典信道量子的信息效率高几十倍，并且量子信息传递的过程没有障碍，传输速度快；3、抗干扰性能强，量子通信中的信息传输不通过传统信道，与通信双方之间的传播媒介无关，不受空间环境的影响，具有完好的抗干扰性能，同等条件下，获得可靠通信所需的信噪比比传统通信手段低30～40dB；4、传输能力强，量子通信与传播媒介无关，传输不会被任何障碍阻隔，量子隐形传态通信还能穿越大气层，既可在太空中通信，又可在海底通信，还可在光纤等介质中通信。5.3量子通信系统架构与关键技术分析量子通信系统目前主要还是处于试验室研究阶段，由于这种通信模式的高超构思和极为优异的特性一直引人瞩目，仍有不少人为之倾注全部精力，而且其研究越来越吸引人。特别是当前信息技术的迅猛发展尤其是量子通信与量子计算机的学科综合，将使通信技术大大地超过电子学与经典信息论的范畴。量子通信系统的实用化将引起通信领域的一场深刻革命，必将使光通信科学技术进入一个崭新的辉煌时代。实现量子通信的关键技术主要有：光子计数技术、光量子无破坏测量技术和亚泊松态激光器的研制技术邓等。5.3.1光子计数技术传统的光通信系统中，无论是模拟还是数字的，无论是直接调制还是相干调制，其光电探测部分都是使用非线性光电变换器件，即平方律型探测器件，其输出（电信号）与输入光场的平方（即光功率）成正比。光量子计数与这类探测方式截然不同，是一种新颖的探测方式，它只对入射光量子反应，将其变换为相应的光电脉冲并加以计数。计数的多少与入射光信号直接发生关系。光子流量和光流强度光是由光子组成的光子流，单个光子的能量ε与光波频率ν的关系是:

光子流量可用单位时间内通过的光子数R表示，光流强度是单位时间内通过的光能量，用光功率P表示．单色光的光功率P与光子流量R的关系是：P=Rε如果光源发出的是波长为630nm的近单色光，可以计算出这种光子的能量ε为:

微弱光辐射下的光脉冲一般将光功率降至10-13mW时，这时的光辐射称为微弱光。。当光功率为10−16W时，这种近单色光的光子流量为：

此时一毫秒不到一个光子，此时的测量成的将是对单个光子进行检测，进而得出弱光的光流强度，这就是单光子计数。在弱光检测中光电倍增管是最合适的探测器件如图所示．当光子入射到光电倍增管的光阴极上时，光阴极吸收光子后将发射出一些光电子，光阴极产生的光电子数与入射到阴极上的光子数之比称为量子效率．大多数材料的量子效率都在30％以下，也就是说每100个入射光子大约只能记录下30个．在弱光下光电倍增管输出的光电子脉冲基本上不重叠，所以光子计数实际上是将光电子产生的脉冲逐个记录下来的一种探测技术．当然，从统计意义上说也是单光子的计数．上图为辐射光为微弱光，且强度逐渐减少时光电倍增管(PMT)或雪崩光电倍增管(APD)输出的电信号由图(a)可知，当光功率减弱到一定程度时，光电倍增管或雪崩光电二极管的输出电信号为一伴有噪声的随机涨落的直流信号；输入光功率再减弱时，则输出电信号变成一序列电脉冲。当Ps降至10-15mW时，每秒只有几个光量子，因此这时离散的电脉冲数和光量子数有一定的内在关系，显然采用脉冲计数的方法在很大程度上能反映入射光量子速率的客观情况。另外，在弱光情况下，上述光电脉冲具有一种特殊的脉冲高度分布（或简称脉冲高度频谱），如下图所示：很容易发现：噪声光子对应的电脉冲高度均在h1以下。这种特殊形式的脉高谱显然对信号与噪声的分离十分有利，或者说，它为提高探测的信噪比提供了很好的条件。这种微弱信号光的检测方式成为单光子检测。光子计数器的组成光子计数器的原理方框图如图所示，各部分功能和主要要求如下:(1)光电倍增管．从以上分析可知，能够进行光子计数的一个重要条件是要有性能良好的光电倍增管．更具体地说，用于光子计数的光电倍增管必须具有适合于实验中工作波段的光谱响应，要有适当的阴极面积，量子效率高，暗计数率低，时间响应快，并且光阴极稳定性高．为了获得较高的稳定性，除尽量采用光阴极面积小的管子外，还采用致冷技术来降低管子的环境温度，以减少各倍增极的热电子发射．(2)放大器．放大器的作用是将光电倍增管阳极回路输出的光电子脉冲(连同其他噪声脉冲)线性地放大．放大器的增益可根据单光电子脉冲的高度和甄别器甄别电平的范围来选定．另外还要求放大器具有较宽的线性动态范围，上升时间≤3ns(即通频带宽过100MHz)，噪声系数小等等．光电倍增管与放大器的连线应尽量短以减少分布电容，有利于光电脉冲的形成与传输．(3)脉冲高度甄别器．脉冲高度甄别器有连续可调的阈电平，称甄别电平．只有当输入脉冲的幅度大于甄别电平时，甄别器才输出一个有一定幅度和形状的标准脉冲．对甄别器的要求是甄别电平稳定，灵敏度高，死时间小．当有一脉冲触发了甄别器中的线路以后，在它恢复原状以前甄别器不能接受后续脉冲，这段时间称为死时间，用于光子计数的甄别器的死时间要求小于l0ns．(4)计数器．计数器(或称定标器)的作用是将甄别器输出的脉冲累计起来并予以显示．用于光子计数的计数器要满足高计数率的要求，即要能够分辨时间间隔为10ns的二脉冲，相应的计数率为100MHz．不过当光子计数器用于微弱光的量测时，它的计数率一般很低．因此采用计数率低于10MHz的计数器亦可．这部分还必须有控制计数时间的功能．光子计数器的噪声和信噪比光子计数器的噪声来源主要为光子发射的统计涨落，光阴极和倍增极的热电子发射和脉冲堆积效应等．(1)统计涨落噪声．就热光源来说，在发光时各原子是相互独立的，相继的两个光子打到光阴极上的时间间隔是随机的．按照统计规律在一定的时间间隔t内发出的光子数服从泊松分布．(2)暗计数噪声．由于光电倍增管的光阴极和各倍增极有热电子发射，即使入射光强为零时，还有暗计数，也称本底计数．通常采用降低管子的工作温度，选用小面积光阴极和选择合适的甄别电平等措施，力图使暗计数率Rd降到最小．但对于极微弱的光信号，暗计数仍是一个不可忽视的噪声来源．(3)脉冲堆积效应噪声．分析光子计数器的噪声和计数误差时，除上述几个重要因素外，还应考虑脉冲堆积效应．这是计数率较高时的主要误差来源．光电倍增管输出的脉冲有一定的宽度tw，只有在从一个光电子脉冲产生时算起,经过比tw更长的时间间隔之后，光电倍增管阳极回路才能接着输出另一个光电子脉冲，tw又称为光电倍增管的分辨时间．当后续光电子脉冲与前一个脉冲的时间间隔小于tw时，阳极回路只输出一个脉冲，这现象称为脉冲堆积效应．如果接连有很多脉冲来临前的时间间隔都小于tw，这些脉冲都不能分辨．可见，光电倍增管也具有死时间．在这意义下光电倍增管被称为“可瘫痪”的探测器，就是说它的计数率有上限，超过此上限就出现计数率的损失。因此按脉高加权是必要的，即大脉冲给以大的计数。如图所示，有大的噪声脉高谱时的情形：由图可以看出，只有脉高高于h1但低于h2的计数才能反映正常的信号光子计数。为此可令计数器以窗口方式工作。这时的计数结果可以写成：

式中W(h)是加权函数；Ps(h)是信号光子脉冲的脉高分布函数；Pn(h)是噪声光子脉冲的脉高分布函数。加权函数是非常重要的。如果考虑图中所示问题，加权函数应为窗口函数，即：

上图所示为一种窗口计数电路的原理图。除了甄别器外h1，又加入了甄别器h2，即设置两个甄别电平h1和h2，只有高于h1和低于h2的光电子脉冲才能分别通过甄别器并同时进入符合电路，且只有2个甄别器同时有输出时符合电路才能工作，并给出一个脉冲输出。准理想单光子计数在实际的测量中光子的计数有4种加权方式，如下图所示：

在实际的测量中可能是多种方式的联合运用。也就是说针对实际的光脉冲要采取相应的不同加权函数。光子计数的目的是给出高的的信噪比(SNR)。令

(h)为信号对噪声的计数速率比，SNR=

(h)，这表明要获得较高的信噪比，信号与噪声的脉高分布函数的差异越大越好。

式中：Ns

和Nn分别表示信号光电子和噪声光电子脉冲的平均速率。最理想的情况是甄别掉一切噪声脉冲，即有：

为此，就要引入一个理想的加权函数，使

则有：

上面的这个加权函数被称为准理想加权，对应的光子计数则称为准理想光子计数。

对于一般的光子计数：

准理想光子计数较一般光子计数提高了：

对于准理想计数，则有：单光子计数器件光电倍增管（PMT）：增益高，噪声低，所以一直在光子计数技术中得到广泛的应用，但是其带宽窄，量子效率低，并且仅能在可见波长范围内使用，因此在光通信中使用受到了限制。雪崩光电二极管（APD）：与PMT相比增益低、暗噪声大，但工作波长可以光通信匹配，最近的研究表明对APD加以冷却并加以适宜的偏置，其性能大幅提高，这样能有效的抑制其噪声，而且随着系统带宽的增加，还会促使动态范围的增大，脉高分辨率提得以提高，再加上APD量子效率高、相应速度快、可以集成等优势，因此APD是未来在量子通信中用于光子计数的主要器件。5.3.2量子无破坏测量技术目前，无论采用哪种形式的探测与测量均需要对被测对象施加某种影响，或从中吸收一定的能量，因而需要开发一种新的量子无破坏测量（QNDM)方法。量子无损测量技术是基于重力波测定时开发的新技术，现在在光通信技术中得到了应用。对携带信息的光束，如何做到不损害其强度，使之保持原状而又能将信息提取出来，这就是量子无损测量的任务。上图(a)为一般的受信情况，受信者是通过分路器接收信息的。入射光子通过分路器不断的分配给不同的接收者，由于入射光子有限，因而受信者的数目也有限制。而(b)图中是以量子无破坏测量替代分路器，受信者获得信息勿需从入射光子中吸收能量，因此受信者的数目没有限制，即可将信息传递给无穷的受信者。在光通信中使用的是相干光源（激光器），在相干态的情况下光子数的概率分布为泊松态分布形式，此时光子数的平均值（期望值）与方差是相等的。这时如果做平方律检波，则信噪比（SNR）=(平均值)2/方差=N，这表明，相干态的光经分路后仍为相干态。从光子数分布讲，可以说原本泊松态分布经分路退化为无规则分布，然后又转变为泊松态分布。就是说，通过分路器光子数方差与期望值相等的性质不变。正是因为这样，故只有N减少，以致信噪比(SNR)劣化。通常把等于光子数平均值的方差成为标准量子极限(SQL),它是划分经典的和量子力学的光的大致标准。介质的损耗会导致不确定量的增加，所以采用(a)中的分束的方式会导致不确定性的增加，因此采用量子测不准测量(QND)，会减少系统的不确定性。说明：量子测不准测量不是不破坏“状态”的测量，而是不破坏“物理量”的测量，以光为例，所谓状态，通常包含光子数与相位的信息。实际上，哪个量都不破坏的测量是不可能的，但是以相位的破坏作为补偿，来获得光子数的不破坏是可能的。所谓量子测不准测量，就是要找到测定的物理量与物理量探针之间的量子力学关系。利用光克尔效应的光子数量子测不准测量原理测量过程：被测量光通过双波长镜DM1进入光克尔介质，然后再通过双波长DM2输出。DM1和DM2对于被测量光的波长为100%的透射率，而对于探测光的波长则具有100%的反射率，假定光克尔介质对探测和被探测光都是完全透明的，被探测光无损耗地通过光克尔介质和整个系统。

探测光从另一位置入射，在分束器BS1处，探测光被分为2束：一束作为探测光束经DM1反射和被探测光仪器通过光克尔介质；另一束则作为参考光束，再经分束器BS2输出，与被探测光一起通过光克尔介质的探测光则经DM2全反射后与参考光合成一束，并作为输出1、2分别入射到探测器D1和D2。不难看出，对于探测光，整个光路系统构成一个马赫曾德干涉仪，光路1和2的相位差则有平衡混频检测器作为电流值I输出。在光克尔介质中，介质的光学折射率随入射光的强度按比例地变化，因此，光学折射率的改变与被探测光强度