量子力學在5G通信中的應用

劉長江+馬凱+潘嘉琦

摘 要：量子力學的發展已有近一個世紀，在微觀領域起著極為重要的作用，而5G通信技術也越來越成為研究的熱門。通過對量子力學與5G通信的發展現狀進行分析，創新性地提出了量子力學在5G通信中的應用方案。

關鍵詞：量子力學；5G通信；量子糾纏態；量子態

中圖分類號：TN918 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.061

1 量子力學的發展

包括量子場理論在內的量子力學是物理學的一個分支，它是原子和亞原子粒子在小尺度和低能級的自然基本理論。量子力學中存在的物理學，只在小尺寸（微觀）尺度才有效。量子力學與經典物理學的不同之處在于，能量、動量和其他數量通常限于離散值，物體具有粒子和波的特征（波粒二象性），并且狀態不容易被知道（不確定性原則）。

量子力學起源于馬克斯·普朗克在1900年解決黑體輻射問題和阿爾伯特·愛因斯坦1905年的論文，論文中提出了用量子理論來解釋光電效應。早期，量子理論在20世紀20年代中期得到了人類深刻的重新認識，后來的理論是以各種專門開發的數學工具來探究的。數學函數波函數提供了關于粒子的位置、動量和其他物理性質的概率幅度的信息。量子理論的重要應用包括量子化學、超導磁體、發光二極管和激光器、晶體管和半導體（例如微處理器）、醫學和研究成像（例如磁共振成像和電子顯微鏡）以及許多解釋能量的生物和物理現象。形式上，這些駐留在一個復雜的可分離希爾伯特空間（稱為狀態空間或系統的相關希爾伯特空間），該空間被很好地定義為一個復數的相位因子。換句話說，可能的狀態是希爾伯特空間的投影空間中的點，通常稱為復雜的投影空間。希爾伯特空間的確切性質取決于系統。例如，位置和動量狀態的狀態空間是平方可積分函數的空間，而單個質子的旋轉的狀態空間只是2個復雜的元素。每個可觀察值由最大線性運算符表示為狀態空間。可觀測值的每個本征狀態對應于運算符的特征向量，并且相關聯的特征值對應于該本征狀態中可觀察值的值。如果運算符的頻譜是離散的，則可觀察到只能獲得那些離散的特征值。薛定諤方程作用于整個概率幅度，而不僅僅是其絕對值。而概率幅度的絕對值編碼關于概率的信息，其相位編碼關于量子態之間干擾的信息。這就產生了量子態的“波狀”行為。

2 5G通信的現狀分析

METIS是歐盟5G項目，旨在為5G系統奠定基礎，并在標準化之前建立共識。METIS針對5G的總體方法建立在現有技術演進的基礎上，新的無線電概念得到補充，旨在滿足當今無線電接入網絡對用例的新的和具有挑戰性的需求。這些新的無線電概念（例如大規模MIMO、超密集網絡、移動網絡和設備到設備、超可靠和大規模機器通信）的集成將使5G能夠支持移動數據量的預期增長，同時擴大移動通信在2020年以后可以支持的應用領域范圍。需要研究為了推動5G研究方向而確定的方案。此外，本文也將給出滿足所識別5G場景要求的技術組件（例如鏈路級組件、多RAT以及多層網絡和頻譜處理）的初始指導。隨著移動通信日益增長的流量爆炸，近來毫米波頻帶中大量未充分利用的頻譜越來越多地被關注，作為與目前4G蜂窩網絡相比，實現數十到數百倍容量的潛在可行解決方案。從歷史上看，毫米波段被排除在細胞使用上，主要是由于對短距離和非視距覆蓋問題的擔憂。頻道測量活動的最新成果以及高級算法和原型的開發，清楚地證明了mmWave帶可能確實是下一代（5G）蜂窩系統的有價值候選者。對美國和韓國進行了信道測量，并對消聲室中的實際自由空間傳播測量進行了總結。目前，已有一種新穎的混合波束成型方案及其鏈路和系統級仿真結果。

3 量子力學的具體應用

“量子5G通信”是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式，是近20年發展起來的新型交叉學科，是量子論和信息論相結合的新的研究領域。光量子5G通信主要基于量子糾纏態的理論，使用量子隱形傳態（傳輸）的方式實現信息傳遞。根據實驗，具有糾纏態的2個粒子無論相距多遠，只要一個發生變化，另一個也會瞬間發生變化。利用這個特性實現光量子5G通信的過程如下：事先構建一對具有糾纏態的粒子，將2個粒子分別放在通信雙方，將具有未知量子態的粒子與發送方的粒子進行聯合測量（一種操作），則接收方的粒子瞬間發生坍塌（變化），坍塌（變化）為某種狀態，這個狀態與發送方的粒子坍塌（變化）后的狀態是對稱的，然后將聯合測量的信息通過經典信道傳送給接收方，接收方根據接收到的信息對坍塌的粒子進行幺正變換（相當于逆轉變換），即可得到與發送方完全相同的未知量子態。

量子糾纏態理論。經典通信的安全性和高效性都無法與光量子5G通信相提并論。安全性-量子5G通信絕不會“泄密”，具體體現在以下2個方面：①量子加密的密鑰是隨機的，即使被竊取者截獲，也無法得到正確的密鑰，因此無法破解信息；②分別在通信雙方手中具有糾纏態的2個粒子，其中一個粒子的量子態發生變化，另一方的量子態就會隨之立刻變化，并且根據量子理論，宏觀的任何觀察和干擾，都會立刻改變量子態，引起坍塌，因此竊取者由于干擾而得到的信息已經被破壞，并非原有信息。被傳輸的未知量子態在被測量之前會處于糾纏態，即同時代表多個狀態，例如一個量子態可以同時表示0和1兩個數字，7個這樣的量子態就可以同時表示128個狀態或128個數字：0～127，光量子5G通信的這樣一次傳輸，就相當于經典通信方式的128次。可以想象，如果傳輸帶寬是64位或者更高，那么效率之差將是驚人的2，以及更高。

4 總結與展望

量子5G通信以其安全性、高效性和高速傳輸性受到了研究人員的廣泛關注，在將來的5G通信研發建設中，量子力學將會發揮越來越重要的作用。

參考文獻

[1]王建秋，嵇英華，余信理.量子通信網絡安全性研究[J].電子技術，2009（01）.

[2]徐啟建，金鑫，徐曉帆.量子通信技術發展現狀及應用前景分析[J].中國電子科學研究院學報，2009（05）.

〔編輯：劉曉芳〕