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(shù)的發(fā)展，原有的經(jīng)典通信技術(shù)逐漸被現(xiàn)有量子通信技術(shù)所取代，而量子通信是一門將經(jīng)典通信與量子力學(xué)充分結(jié)合在一起所形成的通信技術(shù)，在量子力學(xué)中，量子糾纏作為其中的一種現(xiàn)象，與量子通信技術(shù)有著密不可分的關(guān)系。建立在量子糾纏上所發(fā)展出來的通信技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)通信技術(shù)的一種顛覆，更是未來通信技術(shù)的發(fā)展方向，這種技術(shù)在保密與抗干擾方面有著無可比擬的優(yōu)勢，該文主要通過對(duì)量子糾纏的分析，探討超光速量子通信的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：量子糾纏 超光速量子通信 量子隱形傳態(tài)

中圖分類號(hào)：TN918 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）10（a）-0093-02

在經(jīng)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(shí)現(xiàn)量子通信，它主要包括量子信道傳送經(jīng)典比特的量子密集編碼，用經(jīng)典輔助辦法傳送量子態(tài)的量子隱形傳態(tài)以及信息保密傳送所需的絕對(duì)安全量子密碼等[1]，其中量子隱形傳態(tài)更是量子通信的典型方式之一，該文主要是通過對(duì)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(jié)，是一種量子力學(xué)中的現(xiàn)象，俗稱量子態(tài)，主要是粒子在由兩個(gè)或兩個(gè)以上粒子組成系統(tǒng)中相互影響的現(xiàn)象，即使粒子在空間上有可能分開，但這種現(xiàn)象依然存在，當(dāng)tt0時(shí)，這些量子態(tài)之間的相互作用現(xiàn)象則主要是由Hiber空間中相應(yīng)的矢量進(jìn)行描述，其空間構(gòu)成的各個(gè)量子態(tài)系統(tǒng)則同樣由其Hiber空間中相應(yīng)的矢量進(jìn)行描述，這樣的空間量子態(tài)被稱為Hiber空間的直積態(tài)，反之就稱之為糾纏態(tài)，也就是說，如果存在量子糾纏態(tài)，最少需要兩個(gè)或兩個(gè)以上的量子態(tài)進(jìn)行疊加作用才能得到體現(xiàn)[2]。

1.2 量子糾纏態(tài)

在量子力學(xué)中普遍存在量子糾纏態(tài)，假設(shè)①和②分別為兩個(gè)自旋的1/2粒子，由這兩個(gè)粒子組成量子糾纏態(tài)，這時(shí)的量子系統(tǒng)就處于自旋單態(tài)，其總自旋為0，也就是說量子系統(tǒng)是處于EPR對(duì)狀態(tài)，其各自的自旋方向則互相以反平行的方向出現(xiàn)，從而得出：

式中的和為①②粒子的自旋方向?yàn)橄蛏希渥孕禐?1/2，而和則為①②粒子的自旋方向?yàn)橄蛳拢渥孕禐?1/2。通過上式可以看出，若是單獨(dú)對(duì)①②粒子的自旋進(jìn)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(duì)①粒子進(jìn)行局域測量，當(dāng)其自旋方向向上或向下時(shí)，其另一個(gè)粒子②無論是否進(jìn)行過測量，其自旋方向必然是向下或向上的（與另一個(gè)粒子的自旋方向相反），出現(xiàn)這種情況的主要原因就是當(dāng)對(duì)粒子①進(jìn)行測量，得出其自旋率為+1/2時(shí)，量子系統(tǒng)的狀態(tài)就已經(jīng)從的狀態(tài)坍縮到了和的狀態(tài)上，因此就可以確定出粒子②處于狀態(tài)上，其自旋值為-1/2，由此也可以看出，粒子自旋態(tài)的構(gòu)造形成與其出現(xiàn)坍縮之間是呈現(xiàn)非定域性的，所以，處于量子糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子，若是對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行測量，確定出其狀態(tài)，則對(duì)另一個(gè)粒子所處的狀態(tài)也可以間接確定出來，這就是量子糾纏態(tài)之間的非局域性關(guān)聯(lián)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(tài)的原理

量子隱形傳態(tài)的通信方式是將所要傳遞的原始信息分成經(jīng)典與量子兩個(gè)部分，其中經(jīng)典信息部分是由經(jīng)典信道的方式進(jìn)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(jìn)行傳輸，從而將某個(gè)原始信息，也就是其粒子的原始態(tài)從一方傳輸?shù)搅硪环剑磳⑦@個(gè)原始信息的量子態(tài)制備到另一個(gè)粒子上，在整個(gè)信息傳輸過程中，其傳遞的主要就是呈現(xiàn)原始狀態(tài)的量子態(tài)，而不是原物本身，因此將這種傳遞狀態(tài)稱之為量子隱形傳態(tài)。

2.1.2 量子隱形傳態(tài)的實(shí)現(xiàn)過程

如圖1所示，為量子隱形傳態(tài)的實(shí)現(xiàn)過程圖，在圖中，A指的是量子傳態(tài)的發(fā)送者，而B則指的是量子的接收者，指的是待傳量子態(tài)，根據(jù)量子隱形傳態(tài)的傳輸規(guī)律，其信息的傳輸過程如下所示：

（1）將需要傳輸?shù)男畔⒅苽涞阶孕秊?/2的粒子①的量子態(tài)上，然后將粒子①放置在A處，而此時(shí)A并不知道粒子的真實(shí)狀態(tài)；

（2）待量子糾纏源產(chǎn)生EPR對(duì)時(shí)，使粒子②③也處于EPR狀態(tài)當(dāng)中，待粒子②③分別傳送到A和B時(shí)，A和B之間也就建成了量子傳遞信道；

（3）在量子傳態(tài)的發(fā)送者A方中，將其粒子①②分別進(jìn)行BELL基測量，分別得出不同的測量結(jié)果，同樣的，在接收者B方中將粒子③進(jìn)行自旋測量，也會(huì)得出不同的測量結(jié)果，并且這個(gè)結(jié)果與公式中的某一項(xiàng)成對(duì)應(yīng)關(guān)系：

（4）將A方中的測量結(jié)果以經(jīng)典信道傳輸?shù)紹方，而B方則按此測量結(jié)果找到相對(duì)應(yīng)的么正變化ui（i=1，2，3，4），相應(yīng)的將測量結(jié)果表示為ui|Φ>3，最后再將測量結(jié)果進(jìn)行逆變換ui-1，就得到|Φ>3-，這就是需要傳送的量子態(tài)，只不過原來屬于粒子①，現(xiàn)在則是已經(jīng)制備到粒子③當(dāng)中，也就是說已經(jīng)完成了量子態(tài)|Φ>的傳送[3]。

2.1.3 量子隱形傳態(tài)的特點(diǎn)

量子隱形傳態(tài)的特點(diǎn)主要包含以下幾點(diǎn)：在進(jìn)行量子信息傳遞時(shí)不需要提前知道接收方在何處；在進(jìn)行量子信息傳遞的過程中不會(huì)受到任何的阻礙，其隱形傳態(tài)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(tài)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(tài)的信息傳輸速度直接超越了光速；與經(jīng)典信道的傳輸速度相比，原物信息的傳輸速度同樣不會(huì)超越光速。

3 超光速量子通信的實(shí)現(xiàn)

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

4 結(jié)語

綜上所述，該文通過對(duì)量子糾纏的分析，探討超光速量子通信。首先對(duì)量子糾纏的概念以及量子糾纏態(tài)的局域性關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了分析；其次對(duì)量子通信的典型方式量子隱形傳態(tài)進(jìn)行了分析，主要分析其原理，實(shí)現(xiàn)過程以及特點(diǎn)；最后探討超光速量子通信的實(shí)現(xiàn)問題。希望該文的分析探討對(duì)我國的超光速量子通信技術(shù)的研究與實(shí)踐能起到一定的幫助作用。

參考文獻(xiàn)

[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(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006（2）：89-92.

[2] 高山.關(guān)于量子超光速通信的一個(gè)理論設(shè)想[J].中國傳媒大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004（S1）：78-79.

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