基于量子糾纏的量子通信技術

黃哲

一、概論

量子是現代物理的重要概念，與經典物理有根本的區別，提供了全新的原理和思考方式。量子具有不確定性和不可測量性，量子的世界不遵循經典物理學定律，因此人們對量子世界的探索存在很多困難。通過科學家的不斷探索，在量子信息研究領域有了許多的突破，其中產生了量子通信這一新興技術。目前量子通信主要有兩種應用，一種是較為成熟的量子密碼通信，一種是量子隱形傳送。2012年度諾貝爾物理學獎，法國科學家塞爾日·阿羅什與美國科學家大衛·維因蘭德實現了對單個原子的測量和控制，阿羅什的工作是打造出一個微波腔，借助單個原子在微波腔中會輻射或吸收單個光子的特性，實現了操縱單個光子。而維因蘭德則制造出了一個離子阱，先用光來俘獲離子，然后用激光冷卻離子，進而對離子進行測量和控制。量子計算和精密測量有了變成現實的可能性。

二、量子糾纏

Hilbert空間是歐幾里德空間的一個推廣，不再局限于有限維，是一個完備的空間，其上所有的柯西序列等價于收斂序列，從而微積分中的大部分概念都可以無障礙地推廣到Hilbert空間中。能用Hilbert空間中的一個矢量表示的量子系統稱為純態，反之，如果不是處于確定的態而是以某一種幾率分布的，稱之為混合態。通常量子比特表示為：|Ψ〉=α|0〉+β|1〉，|α|2+|β|2=1（疊加態形式）。兩個純態|Ψ1〉和|Ψ2〉的線性疊加所描述的量子態|Ψ〉=c1|Ψ1〉+c2|Ψ2〉對應Hilbert空間的一個矢量，也是一個純態。經過測量的量子態會坍縮到|0〉或|1〉，這個過程是不可逆的。這是二維Hilbert空間中量子態的描述，類似于三維球面上的一個點。在具有n個量子態的系統中，狀態空間由2n個基向量組成。在未對系統進行操作之前，量子態可能為2n中的一個，與經典存儲系統相比，量子系統能在某一時刻保持2n個狀態，因此量子系統具有更大的計算潛力。愛因斯坦不愿承認并稱之為“幽靈般的超距作用（spooky action at a distance）”的量子糾纏，指兩個相互獨立的粒子可以相互影響，對其中一個粒子進行觀測可以即時地影響到其它粒子，無論它們之間的距離有多遠。量子糾纏描述了量子子系統相互影響的現象，對一個子系統的測量瞬間影響了其他子系統的狀態。一個由|ΨA〉和|ΨB〉兩個子系統組成的復合系統|Ψ〉，如果可以表示為|ΨA〉×|ΨB〉，則|Ψ〉處于直積態，否則處于糾纏態。常見的糾纏態有：兩個粒子構成的bell基，三個粒子構成的GHZ態等。二粒子純態糾纏的研究最為完善，bell態是量子通信中最基本的糾纏資源。處于bell態的兩個糾纏粒子稱為EPR對。四維Hilbert空間中的正交完備基稱為bell基。在量子通信中，最常用的測量方法是bell基測量。

三、量子糾纏的應用

目前量子通信的兩種主要方式：量子密碼通信和隱形傳送。量子密碼或量子密鑰分配是利用了觀測一般會干擾被觀測系統的量子力學原理來實現的。量子的不可分割性和量子態的不可復制性保證了信息的不可竊聽和破解，進而實現根本上、永久性解決信息安全問題的目標。量子隱形傳態需建立在經典物理信道的基礎上才能實現。在研究量子領域早期，人們最感興趣的一個問題是能否利用量子糾纏實現超光速通信，這個問題的答案是否定的，原因在于量子的不可克隆性，僅依靠量子糾纏系統無法傳遞具體信息，要將原量子態的全部信息提取出來，需分別根據其經典信息和量子信息來構造，因此無法實現瞬間傳輸。量子隱形傳態利用量子糾纏態作為通道， 利用量子作為載體， 把信息從一個地方傳遞到另一個地方。量子隱形傳態的任務可以簡單地描述為：假設存在一對共享的量子比特為 A、B，利用A、B來傳送量子態C。將A、B分別置于系統的兩端，現將量子比特A和C作幺正變換，測量后得到兩個經典量子比特的信息，在這個過程中兩個量子比特被破壞。量子比特B現在包含了關于C的信息，但觀測者仍無法得到C的任何信息，量子比特B處于四個任意的量子態之一。現在需通過經典通信通道將A的測量結果發送到B端，根據A的測量結果，對B作相應的幺正變換， 此時量子比特B的狀態變為C，實現了量子態的傳送。

四、量子通信技術的發展現狀

理想量子通信與傳統通信相比，有著安全、無障礙通信等優勢，但目前仍難以實現，量子測量、量子態的控制仍在不斷完善，基于糾纏的量子隱形傳態方式仍處在實驗室階段。2012年6月，潘建偉團隊在國際上首次成功實現百公里量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發，為發射全球首顆“量子通訊衛星”奠定了技術基礎。2016年8月16日，中國國成功發射全球首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，標志著中國在量子通信領域又邁出重要一步。“墨子號”的主要科學目標是借助衛星平臺，進行星地高速量子密鑰分發實驗，并在此基礎上進行廣域量子密鑰網絡實驗，以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破。并在空間尺度進行量子糾纏分發和量子隱形傳態實驗，開展空間尺度量子力學完備性檢驗的實驗研究。量子技術的迅速發展，預示著量子科技的無線前景，將給人類生活和生產帶來革命性的成果，對國防、對經濟有著重要影響。因此，我們應加快量子通信技術實用化進程，在國際技術競爭中占據有利地位。

參 考 文 獻

[1] 《量子安全通信與量子信道理論有關問題的研究》王敏杰

[2] 《量子糾纏技術與量子通信》1007-9416（2012）10-0060-01舒娜 石際

[3] 《量子態的可分性與量子糾纏度量》黎小勝

[4] 《高維量子糾纏態的制備及其在量子通信中的應用》葉欣露