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第1章概述量子通信利用量子力学的基本原理或特性进行通信，其信息的载体是微观粒子，如单个光子、原子或自旋电子等。因此，它的工作原理、发送装置和接收设备必定与其它通信方式不同。本章主要讲述量子通信的基本概念、量子通信的类型，并简要介绍量子通信的发展现状。主要内容：一、量子力学的简介二、量子通信的类型三、量子通信系统的指标四、量子通信的发展现状与展望方法：讲授、启发、讨论目的：了解量子通信的基本概念及其特点，了解量子通信的类型，熟悉量子通信系统的指标，理解量子通信的发展现状与展望。时间：90分钟3物理学分为普通物理学（牛顿力学、热学、电磁学、光学、原子物理与相对论）和理论物理学（四大力学——理论力学、热力学与统计力学、电动力学、量子力学）。理论物理四大力学一、量子力学简介理论力学用分析力学（即拉格朗日力学和哈密顿力学）观点处理牛顿力学问题。热力学与统计力学研究热运动的规律和热运动对物质宏观性质的影响。电动力学研究电磁场的基本属性、运动规律以及电磁场和带电物质的相互作用。量子力学研究物质世界微观粒子运动规律。4量子力学和相对论是现代物理学的两大支柱。量子力学的建立使人们对物质世界的认识从宏观层次跨进了微观层次。从宏观到微观一、量子力学简介经典力学相对论力学经典电动力学经典统计力学（非相对论）量子力学相对论量子力学量子电动力学量子统计和量子场论低速高速宏观微观光速c普朗克常数h519世纪末，经典物理已发展得相当完善，那时，人们认为物理大厦已经落成，力学、热学、电磁学、波动光学等问题大都已经解决，甚至远及太阳系中的问题也能用经典物理学处理，所剩只是一些修饰工作。但是这些信念随之受到了冲击。经典理论在解释一些新的试验结果上遇到了严重的困难。由此量子力学应运而生。经典物理学的困难一、量子力学简介经典物理学关于能量连续变化的概念不能解释黑体辐射的能谱及比热对温度的依赖。黑体辐射问题经典物理学光的波动说不能解释像光电效应这类光与物质相互作用的问题。光电效应问题经典物理学不能给出原子的稳定结构，也不能说明原子光谱的规律。原子光谱问题6量子力学的诞生一、量子力学简介1900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难引入能量子，为量子理论奠定基础，他本人也被誉为量子理论之父。1905年爱因斯坦为了解释光电效应与经典理论的矛盾，提出了光量子，后人称之为光子，为量子理论的发展打开了局面。1913年玻尔在卢瑟夫原子有核模型基础上运用量子化概念对氢原子光谱作出了圆满解释，量子力学取得初步胜利。1923年德布罗意提出了物质波这一概念。认为一切微观粒子均伴随着一个波，这就是所谓的德布罗意波。1926年薛定谔基于量子性是微波粒二象性观体系波动性的反映这一认识，找到了微观体系的运动方程，建立起波动力学，后不久还证明了波动力学和矩阵力学的数学等价性。1925年海森堡基于物理理论只处理可观察量的认识，抛弃了不可观察的轨道概念，从可观察的辐射频率及其强度出发，和玻恩、约尔当一起建立起矩阵力学。1928年的狄拉克提出电子的相对论性方程－狄拉克方程，矩阵力学和波动力学殊途同归，标志着量子力学的诞生。7量子力学科学家一、量子力学简介薛定谔德布罗意狄拉克海森堡普朗克泡利爱因斯坦玻尔玻恩费米量子力学的产生和发展标志着人类认识自然实现了从宏观世界向微观世界的重大飞跃。8量子力学的应用一、量子力学简介的发展都离不开它。本世纪的三大热门科学生命科学信息科学材料科学量子场论量子电动力学量子电子学量子光学量子信息学量子化学……并且派生出了许多新的学科。9通信安全三、量子通信技术对于通信而言，迅捷再加上安全是关键。对于目前电子信息时代，就地球范围而言，通讯的即时性不成问题，而未来距离遥远的星际通信就力有不逮。另一方面自2013年斯诺登“棱镜门”事件以来，给人们敲响了警钟，信息安全像窗户纸一样脆弱。对于个人通信而言，信息安全或许只是个人隐私之类，而对于军事、金融、政务、商业等领域而言，通信安全的重要性不言而喻。二战中，波兰人和英国人成功破译了德国著名的“恩格玛”密码，因此，盟军提前得知了德国的许多重大军事行动；美军破译日本的高级密码———“紫密”，击毙了日本海军大将山本五十六，扭转了美军太平洋战场的被动局面。量子通信，量子计算机，量子模拟，量子度量学量子力学量子力学是20世纪自然科学发展的台柱之一。但是，自量子力学诞生以来，科学界关于量子力学基本问题一直进行着激烈的争论。争论焦点：自然界是否确实按量子力学的规律运行？经典力学：宏观物质的运动规律量子力学：微观粒子的运动规律自然界的运动规律1.1.1量子通信的基本概念量子通信具有无条件安全性量子通信具有传输的高效性可以利用量子物理的纠缠资源量子通信具有无条件安全性QKD利用量子力学的海森堡不确定性原理和量子态不可克隆定理，前者保证了窃听者在不知道发送方编码基的情况下无法准确测量获得量子态的信息，后者使得窃听者无法复制一份量子态在得知编码基后进行测量，从而使得窃听必然导致明显的误码，使得通信双方能够察觉出被窃听。量子通信具有传输的高效性根据量子力学的叠加原理，一个维量子态的本征展开式有项，每项前面都有一个系数，传输一个量子态相当于同时传输这个数据。可见，量子态携载的信息非常丰富，使其不但在传输方面，而且在存贮、处理等方面相比于经典方法更为高效。可以利用量子物理的纠缠资源纠缠是量子力学中独有的资源，相互纠缠的粒子之间存在一种关联，无论它们的位置相距多远，若其中一个粒子改变，另一个必然改变，或者说一个经测量塌缩，另一个也必然塌缩到对应的量子态上。这种关联的保持可以用贝尔不等式来检验，因此用纠缠可以协商密钥，若存在窃听，即可发现。1.1.2量子通信的类型基于QKD的量子保密通信量子间接通信量子安全直接通信基于QKD的量子保密通信基于QKD的量子保密通信是通过QKD使得通信双方获得密钥，进而利用经典通信系统进行保密通信，如图下所示。经典保密通信系统密钥池量子密钥分发系统经典保密通信系统密钥池量子密钥分发系统量子信道经典信道（加密数据，QKD辅助信息）经典辅助信息经典辅助信息发送方接收方基于QKD的量子保密通信量子间接通信量子间接通信可以传输量子信息，但不是直接传输，而是利用纠缠粒子对，将携带信息的光量子与纠缠光子对之一进行贝尔态测量，将测量结果发送给接收方，接收方根据测量结果进行相应的酉变换，从而可恢复发送方的信息，如图下所示。这种方法称为量子隐形传态（QuantumTeleportation），应用量子力学的纠缠特性，基于两个粒子具有的量子关联特性建立量子信道，可以在相距较远的两地之间实现未知量子态的远程传输。量子间接通信贝尔态测量或酉变换量子信息或经典信息纠缠源酉变换或贝尔态测量量子信道量子信息或经典信息量子信道量子信道经典信道量子安全直接通信量子安全直接通信（QuantumSecureDirectCommunications,QSDC）可以直接传输信息。通过在系统中添加控制比特来检验信道的安全性。其原理如图下所示，量子态的制备可采用纠缠源或单光子源。若为单光子源，可将信息调制在单光子的偏振态上，通过发送装置发送到量子信道。接收方收到后，进行测量，通过对控制比特进行的结果进行分析判断信道的安全性，如果信道无窃听则进行通信。其中经典辅助信息辅助进行安全性分析。量子安全直接通信信息量子信道量子态制备调制发送经典辅助信息信息经典信道解调接收/测量经典辅助信息发送端接收端控制消息安全性分析1.2量子通信系统的指标1．量子误码率2.通信速率3.通信距离量子误码率量子误码率（Quantumbiterrorrate,QBER）是指承载信息的光量子波包中，能用来使发送和接收双方进行有效通信的那部分信息的误码率。由于信道的损耗和接收机探测器的效率等原因，使得发送的大部分光子不能得到有效的计数，而实际通信系统中只保留双方认可的那部分比特值。在基于单光子的QKD系统中，只有发送方的编码基和接收方的测量基一致且被接收方测量计数的比特才被留下来，进一步处理。QBER就是衡量这部分比特的误码性能。通信速率量子通信系统的速率随通信的样式不同而不同。在量子保密通信系统中，除了加密数据传输的经典通信速率外，更重要的是密钥产生速率。衡量不同QKD系统性能时，往往用密钥产生率（keyrate），其含义是发送一个光脉冲，它能形成最后密钥的概率。若系统时钟为，密钥产生率为，密钥速率为，则有：。在间接量子通信系统和量子安全直接通信系统中，通信速率指传输经典信息（用经典比特表示的信息）或量子信息（用量子态表示的信息）的传输速率。sfrkfksffr通信距离由于量子信号不能放大，而且量子中继器还处在实验室研究阶段，所以通信距离是一个重要指标。由于量子信道的损耗，随着通信距离的增加，量子通信的速率（不是加密后的经典数据），通信距离迅速下降，所以实际应用时往往要在两者之间进行权衡。1.3量子通信发展现状与展望量子通信发展现状量子通信发展展望量子通信发展现状自从1984年BB84协议出现后，各种协议不断被提了出来，除了单光子脉冲的偏振自由度、相位、时间、频率自由度也被挖掘了出来，从而派生出了各种不同的实现方法。制备-测量型量子通信系统基于单光子，传输信道为单模光纤或自由空间。量子通信发展现状我国在量子通信起步比较晚，但发展也很快：1995年，中国科学院物理所在国内首次完成了自由空间BB84量子密钥分发协议的演示实验。在国内，2007年，中国科学技术大学在北京网通公司商用通信网络上基于波分复用器实现了四用户QKD，又实现了3个用户的诱骗态量子通信网络，并且实现了量子保密话音通信。2012年我国先后建成了“金融信息量子通信验证网”和“合肥城域量子通信实验示范网”，节点数目和规模不断扩大。量子通信发展展望量子通信系统将由专网走向公众网络，目前大多数实验量子通信系统均是针对专门的应用，对量子信号的传输需要单独采用一根光纤，这样的话一方面成本较高，另一方面应用范围受限。为了将量子通信推广使用，如何利用现有的光纤网络同时传输量子信号与数据信号，克服强光信号对单光子信号的影响，是最近实验和研究的热门课题，已经有了实际的实验结果。量子通信发展展望量子通信网络向覆盖全球发展，实现长距离量子通信的一种方法是借助于量子中继器，需要采用量子纠缠交换和纠缠纯化，由于纠缠交换成功的概率性使得建立两个远程终端之间的纠缠的时延较长；另一种方法是基于卫星的量子通信，目前欧洲和我国都在准备开展基于卫星的实验，我国预计2016年发射量子科学卫星，这样覆盖全球的量子通信指日可待。量子通信发展展望量子计算技术的发展将会大大促进量子通信的发展，随着量子存贮能力的突破和量子计算技术的发展，量子纠错编码、量子检测等技术的应用，量子通信系统的性能将会得到很大的提高。四、量子通信系统的指标1.量子误码率2.通信速率3.通信距离1.量子误码率量子误码率（Quantumbiterrorrate,QBER）是指承载信息的光量子波包中，能用来使发送和接收双方进行有效通信的那部分信息的误码率。在基于单光子的QKD系统中，只有发送方的编码基和接收方的测量基一致且被接收方测量计数的比特才被留下来，进一步处理。QBER就是衡量这部分比特的误码性能。2.通信速率量子通信系统的速率随通信的样式不同而不同。在量子保密通信系统中，除了加密数据传输的经典通信速率外，更重要的是密钥产生速率。衡量不同QKD系统性能时，往往用密钥产生率（keyrate），其含义是发送一个光脉冲，它能形成最后密钥的概率。若系统时钟为，密钥产生率为，密钥速率为，则有：。sfrkfksffr3.通信距离由于量子信号不能放大，而且量子中继器还处在实验室研究阶段，所以通信距离是一个重要指标。由于量子信道的损耗，随着通信距离的增加，量子通信的速率（不是加密后的经典数据），通信距离迅速下降，所以实际应用时往往要在两者之间进行权衡。小结课堂小结首先介绍了量子、量子通信的概念及其特点，阐述了量子这个信号载体的特殊性，介绍了量