量子通信

企划管理部2016年7月27日量子通信目录一、量子力学简介3二、量子纠缠9三、量子通信技术13四、量子通信产业21五、量子通信应用26页码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量子叠加二、量子纠缠量子世界有两个最基本的原理，就是量子叠加原理和由其引申出来的量子纠缠。我们都知道，在微观层面，物质由分子、原子、离子、电子、质子、中子、夸克等组成，比如化学反应不可再分的基本微粒原子，在物理状态中可以分割为原子核（质子和中子组成）和电子。电子的共性是自旋，根据量子叠加原理，在没有人观测时,电子处于上旋和下旋的叠加态，也就是量子力学最有趣的故事“薛定谔的猫”（生与死的叠加状态），而我们一观测，电子会坍塌到测量的一个本征态，从而确定它是上旋还是下旋，而我们一停止观测，它又回到叠加态（双缝实验）。10量子纠缠释义二、量子纠缠量子叠加已经很玄幻，但量子纠缠更古怪、更疯狂。如果将两个粒子变成纠缠状态而使某些性质连接，即便你将这两个粒子分开，相距无限远，它们依旧无法摆脱纠缠态。它们能产生“鬼魅般的超距作用”。仍以电子为例。假设有两个互相纠缠的电子对，即便它们无限远，没有任何连接，如果你在某个时刻观测到其中一个电子在顺时针旋转，那么另一个在同一时刻必定是在逆时针旋转。反之亦然。粒子似乎可以跨越空间连接，仿佛跨越了空间限制。11量子纠缠应用二、量子纠缠量子纠缠并非信息传递，事实上信息不可能瞬间穿越无尽的空间从一个粒子传到另一个粒子，系统之间可能存在非定域、非经典的强关联。即使我们无法领会它，也不知道真实的原因，只能说世界就是如此运作的。我们能否利用这种“鬼魅般的超距作用”来做些有用的事情呢？量子通信量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。量子计算量子的重叠与牵连原理产生了巨大的计算能力。12量子计算二、量子纠缠普通的数字计算机在0和1的二进制系统上运行，称为“比特”(bit)。但量子计算机要远远更为强大。它们可以在量子比特(qubit)上运算，可以计算0和1之间的数值。迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机。量子计算机对信息的操作从传统的“和”，“或”，“与”等逻辑运算扩展到任何幺正变换，输出也可以是叠加态或某个本征态。所以量子计算机会更加灵活快速，并能实现并行计算。13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。14量子通信优势与经典通信方式对比，量子通信的特点主要包括以下三点：无条件安全性量子通信具有不可窃听、不可复制性和理论上的“无条件安全性”。任何截获或测试量子密钥的操作，都会改变量子状态，确保两地之间密钥分配和通信的绝对安全性。量子通信被认为是保障通信安全的终极技术手段。在信息传输通道方面，量子信息传递过程不会为任何障碍所阻隔，线路时延可以为零，因此能实现最快通信，并且不存在任何电磁辐射污染，为未来基于卫星量子中继的全球化量子通信网奠定了基础。根据量子力学的叠加原理，一个n维量子态含有2n个态信息，而量子并行性使得量子计算机可以同时对2n个数进行数学运算，因此使用量子计算机对n维量子态进行传输，传输效率显著提高。抗干扰能力和传输能力强传输效率极高三、量子通信技术15量子通信原理量子通信是量子物理学和密码学相结合的一门新兴学科，利用量子态的物理性质为通信双方提供绝对安全的通信方式。一个典型的量子通信系统包括量子信源，量子信道和量子信宿三个主要部分。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。三、量子通信技术16量子通信分类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。量子通信系统,按其所传输的信息是经典还是量子分为两类。前者主要用于量子密钥的传输，后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。量子密钥的分发传输一种利用分散量子缠结与一些物理讯息的转换来传送量子态至任意距离的位置。传输的不是经典信息而是量子态携带的量子信息，传输的量子态如科幻小说中的“超时空传输”。量子隐形传态和量子纠缠的分发三、量子通信技术代表：中国科学院院士郭光灿代表：中国科学院院士潘建伟17量子密钥利用量子状态作为信息加密和解密的密钥。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。现有的量子密钥分发技术可实现实验室状态下200公里以上的量子通信，再辅以光开关等技术，还可以实现量子密钥分发网络。根据信号源的不同分为三类：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和基于单量子与量子纠缠对的混合量子密钥分配方案。三、量子通信技术18量子隐形传态量子隐形传态是量子信息领域的典型应用，又称为量子离物传态或量子远程通信，该理论由C.H.Bennett等人于1993年提出。将甲地的某一粒子的未知量子态，在乙地的另一粒子上还原出来。将原量子态的所有信息分为经典信息和量子信息两部分，它们分别由经典通道和量子通道送到乙地。根据这些信息，在乙地构造出原量子态的全貌。三、量子通信技术19量子隐形传态量子隐形传态理论在实验中得到了成功实现，并成为当前量子通信系统的重要理论基础。1997年奥地利Zeilinger小组在室内首次完成了量子隐形传态的原理性实验验证，成为量子信息实验领域的经典之作。2004年，该小组利用多瑙河底的光纤信道，成功地将量子隐形传态距离提高到了600米。12004年中国科学技术大学的潘建伟、彭承志等研究人员探索在自由空间信道中实现更远距离的量子通信。该小组2005年在合肥创造了13公里的双向量子纠缠分发世界纪录，同时验证了在外层空间与地球之间分发纠缠光子对的可行性。22007年开始，中国科学技术大学-清华大学联合研究小组在北京八达岭与河北怀来之间架设长达16公里的自由空间量子信道，最终在2009年成功实现了世界上最远距离的量子隐形传态，证实了量子隐形传态过程穿越大气层的可行性3三、量子通信技术20量子隐形传态2012年8月，中国科学家潘建伟等人在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，为发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定技术基础。“在高损耗的地面成功传输100公里。42012年9月，维也纳大学和奥地利科学院的物理学家实现了量子态隐形传态最远距离——143公里，创造了新的世界纪录。52015年3月，潘建伟院士及其同事组成的研究小组在国际上首次成功实现多自由度量子体系的隐形传态。这是自1997年国际上首次实现单一自由度量子隐形传态以来，是量子信息实验研究领域取得的又一重大突破，将为发展可扩展的量子计算和量子网络技术奠定坚实基础。62016年1月，潘建伟及其团队的“多光子纠缠及干涉度量”研究，（2015年度国际物理学领域的十项重大突破之首）获得中国科学技术领域的最高奖项——国家自然科学一等奖。三、量子通信技术21量子通信产业2016年3月，《第十三个五年规划纲要》发布，其中量子通信和天地一体化信息网成为十大重点推进项目，预计两大专项基金支持力度接近千亿，将极大推动量子通信军用、民用大规模建设和应用。四、量子通信产业22量子通信上下游主要是信号处理芯片、雪崩光电二极管等元器件及各类核心设备。主要包括国盾量子、问天量子和神州量通。国外厂商主要包括瑞士IDQ公司、美国Bennet公司等。主要是各种行业应用，如金融、军事、政务、商务等领域。提供的产品包括量子电话、基于量子保密技术的IDC、量子白板等。主要包括网络传输干线提供商和系统集成商。以量子保密通信“京沪干线”技术验证及应用示范项目为例，提供传输干线服务的公司是中国有线电视网络有线公司，提供系统集成服务的公司包括神州数码、中国通信建设集团等。中游上游下游四、量子通信产业23量子通信产业主要企业四、量子通信产业24量子通信产业主要企业四、量子通信产业25量子通信产业主要企业四、量子通信产业26五、量子通信应用产业联盟2015年12月，由中科院（国科控股）牵头，联合中科大、科大国盾量子技术股份有限公司、阿里巴巴(中国)有限公司、中国铁路网络有限公司、中兴通讯股份有限公司、北方信息技术研究所等单位，在京签署战略合作框架协议，“中国量子通信产业联盟”正式成立。27金融领域量子通信运用较为深入的领域有三个，分别是国防、金融、政务。2012年2月，“金融信息量子通信验证网”在新华社金融信息交易所开通，标志着量子通信技术首次在金融信息传输领域的应用。2015年2月，工商银行成功应用量子通信