量子通信论文

浙江传媒学院期中论文学院电子信息学院专业电子科学与技术班级12电科1班课题浅谈量子通信小组成员王伟夏梦莲刘芳郑一宁指导教师邹雪兰论文成绩______________日期：2015年4月26日【摘要】从普朗克的能量子假说、到爱因斯坦的光量子理论到玻尔的原子理论，在百年的时间里，量子力学发展迅速尤其是20世纪二、三十年代,爱因斯坦和玻尔之间的“物理学灵魂的论战”引发了无数科学家对“量子纠缠”现象的研究，从而点燃了量子通信的星星之火。所谓量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式，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。量子通信具有高效率和绝对安全等特点，是目前国际量子物理和信息科学的研究热点。本文综述了量子通信领域的研究进展,包括人们所熟知的量子隐形传态、密集编码和量子密码学等。目录一、量子通信的起源…………………………………………二、量子通信概念的提出2.1爱因斯坦的“幽灵”……………………………………2.2提出量子隐形传送……………………………………………三、量子通信的首次实现………………………………………………四、量子通信的发展与应用………………………………………五、关于量子纠缠的传输速度超过光速………………………………六、量子通信的保密技术——量子密码6.1简介………………………………………6.2目前量子密码的方案………………………………6.3BB84协议简介………………………………………七、量子通信的基本原理…………………………………1.量子通信的起源——量子纠缠在量子力学中，有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系，不管它们被分开多远，只要一个粒子发生变化就能立即影响到另外一个粒子，即两个处于纠缠态的粒子无论相距多远，都能“感知”和影响对方的状态，这就是量子纠缠。尽管爱因斯坦最早注意到微观世界中这一现象的存在，但却不愿意接受它，并斥之为“幽灵般的超距作用。量子纠缠证实了超距作用的存在。证实了，任何两种物质之间，不管距离多远，都有可能相互影响，不受四维时空的约束，是非局域的。宇宙在冥冥之中存在深层次的内在联系。2.量子通信概念的提出2.1爱因斯坦的“幽灵”在量子纠缠理论的基础上，1993年，美国科学家C.H.Bennett提出了量子通信的概念。量子通信是由量子态携带信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程。量子通信概念的提出，使爱因斯坦的“幽灵（Spooky）”——量子纠缠效益开始真正发挥其真正的威力。2.2提出量子隐形传送同年，在贝内特提出量子通信概念以后，6位来自不同国家的科学家，基于量子纠缠理论，提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案，即将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方，把另一个粒子制备到该量子态上，而原来的粒子仍留在原处，这就是量子通信最初的基本方案。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后，就可以制备出原物量子态的完全复制品。该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处于原物的量子态上。在这个方案中，纠缠态的非定域性起着至关重要的作用。量子隐形传态不仅在物理学领域对人们认识与揭示自然界的神秘规律具有重要意义，而且可以用量子态作为信息载体，通过量子态的传送完成大容量信息的传输，实现原则上不可破译的量子保密通信。3.量子通信的首次实现1997年，在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态”，作为信息载体的光子本身并不被传输。经过二十多年的发展，量子通信这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展，主要涉及的领域包括：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等。4.量子通信的发展与应用自1993年美国IBM的研究人员提出量子通信理论以来，美国对此项目进行了深入的研究，欧盟在1999年集中国际力量致力于量子通信的研究，研究项目多达12个，日本邮政省把量子通信作为21世纪的战略项目。我国从上世纪80年代开始从事量子光学领域的研究，近几年来，中国科学技术大学的量子研究小组在量子通信方面取得了突出的成绩。2003年,韩国、中国、加拿大等国学者提出了诱骗态量子密码理论方案,彻底解决了真实系统和现有技术条件下量子通信的安全速率随距离增加而严重下降的问题。2006年夏,我国中国科学技术大学教授潘建伟小组、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、欧洲慕尼黑大学—维也纳大学联合研究小组各自独立实现了诱骗态方案，同时实现了超过100公里的诱骗态量子密钥分发实验，由此打开了量子通信走向应用的大门。2008年底，潘建伟的科研团队成功研制了基于诱骗态的光纤量子通信原型系统，在合肥成功组建了世界上首个3节点链状光量子电话网，成为国际上报道的绝对安全的实用化量子通信网络实验研究的两个团队之一（另一小组为欧洲联合实验团队）。2009年，量子政务网、量子通信网相继在中国建成。这两个可投入实际使用的量子通信网络，标志着原本停留在纸面和实验室的量子保密通信，已经开始在人们的日常生活中应用。2011年，中国科学院启动了空间科学战略性先导科技专项，计划在2015年左右发射全球首颗“量子通讯卫星”。中国于2011年10月,在青海湖首次成功实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发。5.关于量子纠缠的传输速度超过光速爱因斯坦说，光速属于自然界的一个基本常数：对于空间内所有的观察者来说，光速都是一样的。同样是爱因斯坦的相对论解释说，当物体加速时，物体本身的质量增加，而加速需要能量。随着物体质量的增加，维持速度所需的能量也更多。当物体以接近光速运行时，它的质量将达到无限大，所以要使得物体继续运行的能量也要无限大，而要超过这一极限是不可能的。所以没有物体的运动速度能够超过光速。但2015-03-06新闻稿“中科大实现量子瞬间传输技术重大突破”报道：中国科技大学潘建伟教授主持的量子隐形传态研究项目组2013年测出，量子纠缠的传输速度至少比光速高4个数量级。那么量子信息超光速和我们常说的不能超光速是否矛盾呢？事实上,即使在经典电动力学中,也允许电磁波的相速度超过光速,像影子之类的东西肯定可以超过光速,但是由于不传递有用信息,因此不认为违反相对论。实现量子通信的最基本的理论,需要传递两部分信息,一部分是量子信息,另一部分是经典信息,只有这两部分信息都传到了,完整的信息才被传送,而经典信息的传送依然是受到光速制约的。的确是有信息被超光速传送了,但是如果没有其他辅助的信息,传送过去的东西对我们来说就毫无用处。因此，至少现阶段的理论和实验,都暂时没法实现真正的完整的超光速传输这一点是无疑的。6.量子通信的保密技术——量子密码6.1简介量子通信是目前科学界公认的惟一能实现绝对安全的通信方式,它利用量子力学的测不准原理和量子不可克隆定理,通过公开信道建立密钥,当事人之外的第三方根本不可能破解其密码。其最终目标是解决通信的绝对安全等经典通信所存在的一系列根本性问题。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。6.2目前量子密码的方案主要有以下几种:(1)基于两种共轭基的四态方案,其代表为BB84协议。(2)基于两个非正交的两态方案,如B92协议。(3)基于量子纠缠的EPR粒子对方案,由Ekert于1991年提出,称为E91协议。(4)基于正交态的密钥分配方案,其基础为正交态的不可克隆定理。6.3BB84协议简介1每个光子都有一个偏振方向。2光子的线偏振和圆偏振,是满足互补性的一对共轭态。3线偏振指水平和垂直两个方向l0，lπ/2，圆偏振指左旋和右旋lπ/4,l3π/4。4线偏振与圆偏振不可同时确定，但同一偏振态下的两个方向可以完全区分。因此，光子的四个偏振态l0，lπ/2，lπ/4,l3π/4不可同时精确测量。偏振态偏振方向表示方法编码线偏振水平方向l00垂直方向lπ/21圆偏振左旋lπ/40右旋l3π/411.Alice随机地选择表一中任一种偏振态的光子并发送给Bob2.Bob随机地独立选择圆偏振基或线偏振基测量光子的偏振态3.Bob实际测量到的偏振方向，空格表示未检测到4.Bob公布他检测到态时采用的测量基，但不公布检测结果5.Alice和Bob保留相同基时的结果并按照编码转换成二进制序列Alice和Bob建立密钥的步骤：12345678910第1步第2步+第3步第4步第5步6.4BB84协议的安全性拦截/发送攻击窃听者如果选错测量基将会破坏原来的量子态。拦截/复制攻击根据量子的不可克隆原理，被拦截的量子无法复制。因此，具有很高的安全性！7.量子通信的基本原理量子通讯是指利用“量子纠缠”与“量子叠加态”效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。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态和量子纠缠的分发。所谓隐形传送指的是脱离实物的一种“完全”的信息传送。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，制造出原物完美的复制品。但是，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，隐形传送不过是一种幻想而已。1993年，6位来自不同国家的科学家，提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传态的方案：将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方，把另一个粒子制备到该量子态上，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后，就可以制备出原物量子态的完全复制品。该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处于原物的量子态上。总结对于量子通信，我也是最近才开始钻研，所以我不敢说我知道很多，当年爱因斯坦都认为量子纠缠是错误的，不愿意接受它，并斥之为“幽灵般的超距作用”。他认为上帝是不会掷骰子的。然而现在的理论表明，爱因斯坦是错误的。这个的难度课题比我想象当中更大！就关于量子纠缠这一概念就需要理解很久，前期我花了很多时间在量子力学的学习上，并阅读了大量的资料。然而对于其更深的认识，还有很多的疑惑，日后还要更加深入的学习。选量子通信这个课题，一开始可能认为它很新鲜，它是近几十年来才发展起来的一门学科，我觉得作为当代的大学生，就应该大胆尝试新兴事物，所以尽管有难度。但我并没有放弃，如果以后这类学科能够大量应用于实践，我们对于此的认识也可以相对领先。希望老师能够给予更多的意见，此论文可能很多不足的地方，甚至会有错误，还望老师批评！