量子通信简介

量子通信简介QuantumTeleportation0510290于陆浩0510292遇玺0510293曾剑TransitionalPage通信是人与人之间同过某种媒体进行的信息交流与传递，从广义上说，无论采用何种方法，使用何种媒质，只要将信息从一地传送到另一地，均可称为通信。•通信的方式：古代的烽火台、击鼓、驿站快马接力、信鸽、旗语等，现代的电信等。古代的通信对远距离来说，最快也要几天的时间，而现代通信以电信方式，如电报，电话，快信，短信，E-MAIL等，实现了即时通信。可是，仅仅有这些是远远不能满足需要的先来看一个密码攻防战中的典型范例:第二次世界大战中，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”，从而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。保密通信的原理在于，唯有掌握密钥的人可以轻易重现传递的信息。信息的安全性主要依赖于密钥的秘密性。而密钥，就像两人通信的暗号，双方预先设定协议，即便外人知道暗号的形式，却不知道它代表的含义，正所谓“天知、地知，你知，我知”。•然而，“道高一尺，魔高一丈。”往往加密者设计出一种密码，解密者很快就找到破译的方法。当凭借智慧解密已“无药可施”时，利用穷举法进行“蛮力攻击”的电子计算机又登上了解密的主战场。为对抗功能强大的联网计算机，RSA等公钥密码奋力反击。著名的RSA公钥系统由Rivet、Shamir和Adleman3人提出，它是目前银行、网络等广泛使用的公开密钥体制。它的安全性就基于大数因子分解，因为对于经典计算机，后者不存在有效的多项式算法。这下，似乎“万事大吉”，保密安全了。•但是，20世纪90年代，著名数学家Shor又对传统密码学进行了一次彻底颠覆。他提出量子并行定法，并证明量子计算可以攻破目前广泛使用的公钥RSA体系。也就是说，为了对一个400位的阿拉伯数字进行因子分解，目前最快的超级电子计算机将耗时上百亿年，所以相对来讲，公钥体系是安全的。可是，一旦出现具有相同时钟脉冲速度的量子计算机，只需大约1分钟便可计算完毕。下面开始讨论正题，一些实际的问题：Point1如果量子计算机是‘利剑长矛’，那量子密码技术就是抵御它的一面‘盾牌’.量子密码提供了一种不可窃听、不可破译的新一代密码技术。因为，若从经典物理的范畴，密钥本身被非法用户复制，可以“神不知，鬼不觉”，不被人发现；密钥在传递时被他人窃听，合法用户也无法识破。但是，量子密码却能确保保密通信的“万无一失”。Point2量子力学中的海森伯不可确定性原理和不可克隆定理说明,量子世界中的任何事件都是不可能被窃听的.只要窃听,就会留下痕迹.正是这些基本原理确保了量子密钥分配的安全性。具体来讲，单个粒子的量子态———偏振或相位等，可以用来编码、储存和传输信息，如果有一个窃密者想要窃取这些信息，就会在截获粒子的一瞬间改变其量子态，使信息失真，达不到窃密的目的，同时使储存、传输信息的人立即发觉被窃密。•随着量子力学理论的提出和逐步完善，1993年，C.H.Bennett提出了量子通信的概念。•所谓“量子通信”，是指利用量子纠缠（quantumentanglement）效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。•量子通讯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。目前量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，近来这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。•量子纠缠又译量子缠结，是一种量子力学现象，其定义上描述复合系统（具有两个以上的成员系统）之一类特殊的量子态，此量子态无法分解为成员系统各自量子态之张量积（tensorproduct）。•具有量子纠缠现象的成员系统们，在此拿两颗以相反方向、同样速率等速运动之电子为例，即使一颗行至太阳边，一颗行至冥王星，如此遥远的距离下，它们仍保有特别的关联性（correlation）；亦即当其中一颗被操作（例如量子测量）而状态发生变化，另一颗也会即刻发生相应的状态变化。如此现象导致了“鬼魅似的远距作用”（spookyaction-at-a-distance）之猜疑，仿佛两颗电子拥有超光速的秘密通信一般，似与狭义相对论中所谓的局域性（locality）相违背。这也是当初阿尔伯特·爱因斯坦与同僚玻理斯·波多斯基、纳森·罗森于1935年提出以其姓氏字首为名的爱波罗悖论（EPRparadox）来质疑量子力学完备性之缘由。•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。•按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类：前者主要用于量子密钥的传输后者则可用于量子隐形传送和量子纠缠的分发。（所谓隐形传送指的是脱离实物的一种“完全”的信息传送）量子密钥：•原理：在普朗克提出的量子理论中，量子的不可复制性是一项基本定律。如果一枚旋转着的硬币是量子世界中一个物体，一旦你要复制它，势必要对它进行测量，这种外来的行为就会改变它的运动状态。也就是说，任意量子的状态，在受到复制或测量时，都会发生变化。换个角度说，量子一旦被测量过，就不再是原来的那个量子了。所以，利用量子的这一特性制作的密码，从理论上讲是一种最为安全的密码。一个量子物质的传送过程就像光在光纤里传输过程一样，如果一个偷听者想在某一个地方偷听信息，或者将该信息内容复制下来，这就是一种测量行为，这种测量对量子体系来说意味着对整个体系的破坏，其结果是被测量的信息将全部消失量子密钥：•制作方法：一利用单光子极化编码：把随机信息赋予单光子的极化，根据量子不可克隆定理，使用经典通信的方法可以保证绝对的防止窃听。但在实际应用中，因为噪声的存在和环境对光子的吸收，导致光子数呈指数衰减，所以远程通信势必要求高亮度的单光子源，在现有的技术条件下是不现实的。二利用纠缠源来做密钥分配：根据量子纠缠的特性，窃听者利用局域操作无法得到任何信息，并且，产生密钥的双方可以通过测量贝尔(Bell)不等式的方法来判断是否存在窃听。在理论上，这种方法也是绝对安全的。而且这种利用纠缠对的量子密钥分配方法在远程通信过程中可以设立很多中继站，利用纠缠交换的方法，可以让光子衰减变成线性衰减，这样就可以克服单光子密钥分配的缺点。•左图为中国科大研究人员提出一种具有非常好的单向传输稳定性的量子密钥分配实验方案。该保密通信系统实现了单向长期稳定的量子密钥分配。解决了国际上一直未解决的长期稳定性和安全性的统一问题，解决了量子密码技术由实验室走向实际应用的重要难题，使我国量子保密通信在国家信息安全中的应用迈出了关键的一步。量子隐形传送：量子隐形传送与量子远程通信密切相关。“teleportation”一词是指一种无影无踪的传送过程。从物理学角度，可以这样来想象隐形传送的过程：先提取原物的所有信息，然后将这些信息传送到接收地点，接收者依据这些信息，选取与构成原物完全相同的基本单元（如：原子），制造出原物完美的复制品。遗憾的是，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，隐形传物只不过是种幻想而已。量子隐形传送：1993年美国物理学家贝尼特等人提出了量子隐形传送的方案：将某个粒子的未知量子态（即未知量子比特）传送到另一个地方，把另一个粒子制备到这个量子态上，而原来的粒子仍留在原处。其基本思想是：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息。接收者在获得这两种信息之后，就可制造出原物量子态的完全复制品。这个过程中传送的仅仅是原物的量子态，而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的粒子（甚至可以是与原物不相同的粒子）处于原物的量子态上。原物的量子态在此过程中已遭破坏。量子隐形传送1997年年底奥地利的一个研究小组首先在实验上演示成功了量子隐形传送，论文发表在《自然》上，引起国际学术界的极大兴趣。此后，有若干研究小组也相继在实验上实现了量子隐形传送。量子隐形传送所传输的是量子信息，它是量子通信最基本的过程。人们基于这个过程提出了实现量子因特网的构想。量子因特网是用量子通道来联络许多量子处理器，它可以同时实现量子信息的传输和处理。相比于现在经典因特网，量子因特网具有安全保密特性，可实现多端的分布计算，有效地降低通信复杂度等一系列优点。量子通信现状：去年，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创下了通信距离达１４４公里的最新纪录，并认为利用这种方法有望在未来通过卫星网络实现信息的太空绝密传输。这一成果还被广泛评为2007年世界十大科技进展新闻。量子通信由于其广泛的应用范围和各种优越的性能，正成为一个发展前景广泛的新科目。