試析量子糾纏與超光速量子通信

馬忠智

摘 要：隨著我國通信技術的發展，原有的經典通信技術逐漸被現有量子通信技術所取代，而量子通信是一門將經典通信與量子力學充分結合在一起所形成的通信技術，在量子力學中，量子糾纏作為其中的一種現象，與量子通信技術有著密不可分的關系。建立在量子糾纏上所發展出來的通信技術是對傳統通信技術的一種顛覆，更是未來通信技術的發展方向，這種技術在保密與抗干擾方面有著無可比擬的優勢，該文主要通過對量子糾纏的分析，探討超光速量子通信的實現。

關鍵詞：量子糾纏 超光速量子通信 量子隱形傳態

中圖分類號：TN918 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）10（a）-0093-02

在經典通信中是以比特作為信息單元，而在量子通信中是以量子比特作為信息單元，是通過量子比特信息的有效傳遞來實現量子通信，它主要包括量子信道傳送經典比特的量子密集編碼，用經典輔助辦法傳送量子態的量子隱形傳態以及信息保密傳送所需的絕對安全量子密碼等[1]，其中量子隱形傳態更是量子通信的典型方式之一，該文主要是通過對量子糾纏的分析探討超光速量子通信。

1 量子糾纏分析

1.1 量子糾纏的概念

量子糾纏又叫量子纏結，是一種量子力學中的現象，俗稱量子態，主要是粒子在由兩個或兩個以上粒子組成系統中相互影響的現象，即使粒子在空間上有可能分開，但這種現象依然存在，當tt0時，這些量子態之間的相互作用現象則主要是由Hiber空間中相應的矢量進行描述，其空間構成的各個量子態系統則同樣由其Hiber空間中相應的矢量進行描述，這樣的空間量子態被稱為Hiber空間的直積態，反之就稱之為糾纏態，也就是說，如果存在量子糾纏態，最少需要兩個或兩個以上的量子態進行疊加作用才能得到體現[2]。

1.2 量子糾纏態

在量子力學中普遍存在量子糾纏態，假設①和②分別為兩個自旋的1/2粒子，由這兩個粒子組成量子糾纏態，這時的量子系統就處于自旋單態，其總自旋為0，也就是說量子系統是處于EPR對狀態，其各自的自旋方向則互相以反平行的方向出現，從而得出：

式中的和為①②粒子的自旋方向為向上，其自旋值為+1/2，而和則為①②粒子的自旋方向為向下，其自旋值為-1/2。通過上式可以看出，若是單獨對①②粒子的自旋進行測量，其自旋方向無非就是向上或向下，各自的幾率各占1/2，但是若只是針對①粒子進行局域測量，當其自旋方向向上或向下時，其另一個粒子②無論是否進行過測量，其自旋方向必然是向下或向上的（與另一個粒子的自旋方向相反），出現這種情況的主要原因就是當對粒子①進行測量，得出其自旋率為+1/2時，量子系統的狀態就已經從的狀態坍縮到了和的狀態上，因此就可以確定出粒子②處于狀態上，其自旋值為-1/2，由此也可以看出，粒子自旋態的構造形成與其出現坍縮之間是呈現非定域性的，所以，處于量子糾纏態的兩個粒子，若是對其中一個粒子進行測量，確定出其狀態，則對另一個粒子所處的狀態也可以間接確定出來，這就是量子糾纏態之間的非局域性關聯性[3]。

2 超光速量子通信的探討

2.1 量子通信方式

2.1.1 量子隱形傳態的原理

量子隱形傳態的通信方式是將所要傳遞的原始信息分成經典與量子兩個部分，其中經典信息部分是由經典信道的方式進行傳輸，也就是通常所見的電話，電傳等，而量子信息部分則是由量子信道進行傳輸，從而將某個原始信息，也就是其粒子的原始態從一方傳輸到另一方，即將這個原始信息的量子態制備到另一個粒子上，在整個信息傳輸過程中，其傳遞的主要就是呈現原始狀態的量子態，而不是原物本身，因此將這種傳遞狀態稱之為量子隱形傳態。

2.1.2 量子隱形傳態的實現過程

如圖1所示，為量子隱形傳態的實現過程圖，在圖中，A指的是量子傳態的發送者，而B則指的是量子的接收者，指的是待傳量子態，根據量子隱形傳態的傳輸規律，其信息的傳輸過程如下所示：

（1）將需要傳輸的信息制備到自旋為1/2的粒子①的量子態上，然后將粒子①放置在A處，而此時A并不知道粒子的真實狀態；

（2）待量子糾纏源產生EPR對時，使粒子②③也處于EPR狀態當中，待粒子②③分別傳送到A和B時，A和B之間也就建成了量子傳遞信道；

（3）在量子傳態的發送者A方中，將其粒子①②分別進行BELL基測量，分別得出不同的測量結果，同樣的，在接收者B方中將粒子③進行自旋測量，也會得出不同的測量結果，并且這個結果與公式中的某一項成對應關系：

（4）將A方中的測量結果以經典信道傳輸到B方，而B方則按此測量結果找到相對應的么正變化ui（i=1，2，3，4），相應的將測量結果表示為ui|Φ>3，最后再將測量結果進行逆變換ui-1，就得到|Φ>3-，這就是需要傳送的量子態，只不過原來屬于粒子①，現在則是已經制備到粒子③當中，也就是說已經完成了量子態|Φ>的傳送[3]。

2.1.3 量子隱形傳態的特點

量子隱形傳態的特點主要包含以下幾點：在進行量子信息傳遞時不需要提前知道接收方在何處；在進行量子信息傳遞的過程中不會受到任何的阻礙，其隱形傳態可以說是一種超越空間距離的傳送；量子信息的傳輸速度直接由量子態的坍縮速度來決定，而其坍縮速度更是直接超越了光速，因此量子隱形傳態的信息傳輸速度直接超越了光速；與經典信道的傳輸速度相比，原物信息的傳輸速度同樣不會超越光速。

3 超光速量子通信的實現

通過上文的探討分析，可以看出信息的傳送離不開兩個信道的共同作用，因此其信息的傳輸速度也就不會超越光速，而對于人類目前的研究來說，用量子信道來取代經典信道，即將經典信息通過量子信道進行傳送，不僅可以突破經典信道信息傳輸過程中的種種限制，同時還能實現超光速量子隱形傳態，也就是說實現了超光速的量子通信。

4 結語

綜上所述，該文通過對量子糾纏的分析，探討超光速量子通信。首先對量子糾纏的概念以及量子糾纏態的局域性關聯性進行了分析；其次對量子通信的典型方式量子隱形傳態進行了分析，主要分析其原理，實現過程以及特點；最后探討超光速量子通信的實現問題。希望該文的分析探討對我國的超光速量子通信技術的研究與實踐能起到一定的幫助作用。

參考文獻

[1] 李同山，王善斌.量子糾纏與超光速量子通信[J].山東理工大學學報：自然科學版，2006（2）：89-92.

[2] 高山.關于量子超光速通信的一個理論設想[J].中國傳媒大學學報：自然科學版，2004（S1）：78-79.

[3] 吳國林.量子糾纏及其哲學拓展[J].哲學分析，2011（2）：120-133，199.